中國全面抗戰時期
1937年第二十師團參與了盧溝橋事變。1937年7月撤回至 漢城。1938年駐紮在山西運城一帶。
組織結構
1. 歷任師團長
1936年12月1日 - 1938年6月23日 川岸文三郎 中將
1938年6月23日 - 1939年9月7日 牛島實常 中將
1939年9月7日 - 1941年4月10日 七田一郎 中將
1941年4月10日 - 1942年8月17日 永津佐比重 中將
2. 歷任師團參謀長
1936年8月1日 - 1938年8月10日 杵村久蔵 大佐 (被擊斃, 追晉少將軍銜)
1938年8月10日 - 1941年3月1日 內田銀之助 大佐 (最終軍銜-中將)
1941年3月1日 - 1943年8月2日中井増太郎 大佐 (最終軍銜-中將)
第二十師團下轄步兵第39和第40旅團、騎兵第28聯隊、野炮兵第26聯隊等
3. 第39旅團歷任旅團長
1937年3月7日 高木義人 少將(最終軍銜-中將)
1938年3月1日 關原六 少將 (最終軍銜-中將)
1940年12月2日 岩崎民男 少將 (最終軍銜-中將)
步兵第七十七聯隊歷任聯隊長
1936年8月1日 鯉登行一 大佐 (最終軍銜-中將)
1938年3月31日真野五郎 大佐 (最終軍銜-中將)
1939年3月9日 藤室良輔 大佐 (最終軍銜-中將)
步兵第七十八聯隊歷任聯隊長
1937年8月2日小林恆一 大佐 (最終軍銜-中將)
1938年7月15日空谷忠一 大佐
4. 第40旅團歷任旅團長
1936年3月23日山下奉文少將 (最終軍銜-大將)
1937年8月26日上月良夫 少將 (最終軍銜-中將)
1938年7月15日高橋多賀二 少將 (最終軍銜-中將)
步兵第七十九聯隊歷任聯隊長
1937年8月2日森本伊市郎 大佐 (最終軍銜-少將)
1939年3月9日木越二郎 大佐
步兵第八十聯隊歷任聯隊長
1937年3月1日玲木謙二 大佐
1939年3月9日岩切秀 大佐 (最終軍銜-中將)
5. 騎兵第二十八 聯隊長
藤田茂 大佐 (最終軍銜-中將)
6.野炮兵第二十六聯隊 長
橋本博光 中佐 (最終軍銜-少將)
留守第二十師團歷任師團長
1937年7月12日深澤友彥中將
1939年8月1日玲木春松 中將
太平洋戰爭時期
1942年 日軍第二十師團被派往太平洋的巴布亞紐幾內亞前線。
第二十師團1943年 1月在維瓦克島登入成功的第二十師團主力把主要精力放在機場建設和修築菲尼斯蒂爾山脈沿海地帶公路上。1943年4月，第二十師團前往麻丹修築道路。1943年9月22日美澳聯軍在芬施哈芬地區登入之後，立即與在那裡守備的第二十師團第80聯隊混戰成一團，儘管自然條件惡劣但第二十師團主力還是拚命增援。然而終究不是美澳聯軍的對手，於1943年底撤退到西奧地區。
1944年 1月2日，美澳聯軍在岡比地區登入，此舉意圖切斷第二十師團的退路。第二十師團無奈退往麻丹地區。在熱帶叢林中有很多士兵掉了隊，但終於在1944年2月底到達麻丹地區。然而到了麻丹地區之後等待第二十師團卻的是一紙新的命令：前往愛達培。此時的行軍比在熱帶叢林中更艱苦，大片的沼澤地吞噬了不計其數的官兵，第二十師團師團長片桐茂中將也在維瓦克地區附近戰死。自1944年4月下旬到5月上旬為止，第二十師團的各個部隊陸續到達維瓦克地區。但是由於美澳聯軍下手比日軍快了一步，率先在荷蘭蒂亞地區和愛達培地區登入，第二十師團變得進退不得。日軍第18軍司令官安達二十三中將為了使部隊得到生存空間，下令與美澳聯軍決戰。1944年7月開始，第二十師團在飢餓和疲勞的困擾下，展開了愛達培攻堅戰。但是因為死傷慘重，戰鬥減員嚴重，於1944年8月3日終止了戰鬥。之後，第二十師團在飢餓、瘧疾等流行病以及澳軍的圍攻下，實際上已經沒有作戰能力了。
1945年 7月25日，日軍第18軍司令官安達中將下令“全員犧牲報國”，但之後不久日本就無條件投降了。在巴布亞紐幾內亞登入時，第二十師團有25572名如狼似虎的官兵，而投降時只有785具連槍都舉不動的瘦骨嶙峋的骷髏了。
