В 1938 году БА-20, подобно другим броневикам, был модернизирован. На обновленной машине, получившей обозначение БА-20М, установили пулестойкую башню конической формы, в состав экипажа ввели радиста, обслуживающего усовершенствованную дуплексную рацию 71-ТК-3 со штыревой антенной, расположенной по левому борту.

В состав вооружения был введен запасной 7,62-мм пулемет ДТ, который укладывался в боевом отделении. Броневая защита машины была усилена за счет применения лобовых листов корпуса и башни толщиной 9 мм. Кроме того, был увеличен запас хода (до 450 км) за счет установки дополнительного топливного бака емкостью 30 л.