登場から20年以上が経過し、老朽化が進んでいたM10系初期車を置き換えるための車両として2010年に登場した。車体はM10系をベースとしつつ、ガラス面積を増やしており部分的に構造が変わっている。VVVFインバータ制御を採用した。
内装はNR今北のN1600系や両得電鉄10系の車両デザインも手掛けた津喜デザイン事務所が担当。津喜の地元デザイン事務所であることや、担当した車両が津喜市内各所で走っていることが選定理由となった。
デザインの際に重要なテーマとなったのは「眺望性」で、理由として津喜都市モノレールは通常の鉄道より高いところを走るうえに、住宅地・都心・沿岸・自然が残るエリアなど車窓に変化が多いためだ。
「眺望性」を良くするためには、できるだけガラスの面積を増やし、外の景色を眺めやすくすればよい。そのためM10系の車体を元に、ガラスの面積を増やした新しい車体を開発することとなった。
また、内装は「乗った時に特別感が感じられる」デザインに変更することとなった。従来のクリーム色を中心とした内装ではなく、白と黒・紺色を用いたメリハリのあるデザインに変更し、都会的で洗練されたデザインとすることが決まる。
車内の装備として特に重要な座席は、座席幅を拡張したハイバックシートを採用することが決まり、人間工学に基づいた新たな座席が開発された。この座席は両得電鉄10系や30系でも使用されることとなり、現在ではほかの鉄道へも普及しだしている。
内外装ともに長い期間に及ぶ検討の結果、A・B・Cの三つの案が津喜都市モノレールと津喜市に提案された。最終的にはC案が採用されることとなり、塗装はレールに合わせた白から青に変更されデザインが決定した。
制御装置についてはNRのN1602系や両得電鉄10系などで使用されている汎用タイプの装置を採用することとなり、コスト削減とメンテナンスフリーの推進のためMT比はM10系の4・0から3・1に変更される。
2009年初めにデザインが完全に決定し、2009年より製造開始、2010年に車両基地に搬入された後黒色のフィルムをラッピングした状態で試運転を行い、同年7月にデビューした。
デビュー後は「津喜都市モノレールのニューフェイス」として注目を集めることとなり、2011年放送のドラマにも登場。都会的な車体デザインが人気となり、ドラマの人気とも相まって津喜市の人気を高めた。またアニメにも登場し、幅広い世代に津喜都市モノレールが認知されることとなる。
そんなM20系だが、2016年までは車体ラッピングを原則行わない方針だった。しかし、M20系の車両数が増加したことや、減価償却費などの費用が以前より増え、広告収益を確保しなければならないなどの事情から「部分的なラッピング」を2017年より行うこととなった。ただし、M10系よりも広告デザイン審査は厳しくなっており、「ラッピングしてもさほど違和感がないデザインであること」が第一条件となっている。
2014年までにほぼ仕様変更されずに導入されたM20系だが、2012年以降に導入された車両は前照灯周辺に黒いフィルムが貼られた。また、2015年に導入された車両は軽量化のためハイブリッドSiC-VVVFインバータを採用。津喜都市モノレール広報担当は「今後導入する車両に搭載することを想定している」としている。