История создания МЛ-20 началась в 1932 году, когда группа конструкторов Всесоюзного орудийно-арсенального объединения – Грабин, Комаров и Дроздов – предложила создать мощную 152-мм корпусную пушку путем наложения ствола осадной 152-мм пушки Шнейдера на лафет 122-мм пушки А-19. Расчеты показали, что такая идея при установке дульного тормоза, отбирающего часть энергии отката, вполне реальна. Испытания опытного образца подтвердили обоснованность допущенного технического риска, и на вооружение поступила корпусная 152-мм пушка образца 1910/34 года. В середине 30-х годов было принято решение о модернизации этого орудия. Работы по модернизации возглавил молодой конструктор Фёдор Фёдорович Петров. Изучив особенности лафета пушки А-19, он выявил основные недостатки этого орудия: отсутствие подрессоривания у передка ограничивало скорость передвижения; подъемно-уравновешивающий механизм был сложен в доводке и обеспечивал недостаточно высокую скорость вертикальной наводки; на перевод ствола из походного в боевое положение и обратно требовалось много энергии и времени; люлька с противооткатными устройствами была сложна в изготовлении.
Разработав заново литой верхний станок, разделив объединенный подъемно-уравновешивающий механизм на два независимых –  секторный подъемный и уравновешивающий, сконструировав передок с подрессориванием, прицел с независимой линией прицеливания и люльку с литой цапфенной обоймой вместо кованой, конструкторы создали впервые в мировой практике орудие промежуточного типа со свойствами и пушки и гаубицы. Угол возвышения, увеличенный до 65°, и 13 переменных зарядов позволили получить орудие, у которого, как у гаубицы, навесные траектории и, как у пушки, высокие начальные скорости снаряда.
МЛ-20, разработанная за полтора месяца, была предъявлена на государственные испытания после первых же 10 выстрелов, сделанных на заводском полигоне. Эти испытания были завершены в начале 1937 года, орудие приняли на вооружение и в том же году поставили в серийное производство. Поначалу все шло хорошо, но вдруг ствол одной, потом другой, потом третьей гаубиц-пушек от выстрелов при малых углах возвышения стал, что называется, давать свечу –  самопроизвольно задираться на максимальный угол. Выяснилось, что по ряду причин червячная передача оказалась недостаточно самотормозящей. Конструкторам это явление доставило немало хлопот, пока после томительных дней и бессонных ночей не было найдено довольно простое решение. Было предложено в нарезной крышке, закрепляющей червяк в картере, поставить с небольшим регулируемым зазором подпружиненный стальной диск. В момент выстрела червяк торцовой частью соприкасается с диском, который, создавая большое дополнительное трение, препятствует провороту этого самого червяка. Тут же было отдано распоряжение изготовить детали этого приспособления.
При разработке этого орудия особенное внимание уделялось повышению технологичности и снижению стоимости. Именно с производства гаубицы-пушки в артиллерийской технике началось широкое применение стального фасонного литья. Многие узлы –  верхний и нижний станки, шарнирные и хоботовые части станин, ступицы колес –  изготавливались из дешевых углеродистых сталей.
Первоначально предназначенная для «надежного действия по артиллерии, штабам, учреждениям и сооружениям полевого типа», 152-мм гаубица-пушка оказалась гораздо более гибким, мощным и действенным орудием, чем думали прежде. Боевой опыт сражений Великой Отечественной войны непрерывно расширял круг задач, возлагаемых на это замечательное орудие. И в "Руководстве службы", изданном в конце войны, МЛ-20 предписывалась борьба с артиллерией противника, подавление дальних целей, разрушение дотов и мощных дзотов, борьба с танками и бронепоездами и даже уничтожение аэростатов.
Во время Великой Отечественной войны во всех крупных артподготовках, в контрбатарейной борьбе, в штурме укрепленных районов неизменно участвовала 152-мм гаубица-пушка образца 1937 года. Но особенно почетная роль выпала этому орудию в деле уничтожения тяжелых фашистских танков. Увесистый снаряд, выпущенный с большой начальной скоростью, запросто срывал башню танка с погона. Бывали сражения, когда эти башни буквально летали в воздухе с безвольно болтающимися стволами орудий. И не случайно именно МЛ-20 стала основой прославленной ИСУ-152.