运-20作为中国第一款国产大型运输机，在设计上很有自己的特点，在众多的新设计中，超临界机翼是一个亮点。
超临界机翼前缘钝圆，上表面平坦，下表面接近后缘处反凹，后缘变薄且向下弯曲，这样的构型可以推迟高亚音速飞行时机翼波阻急剧增大的现象，提高机翼的临界马赫数，减轻机翼结构重量。
实际上超临界机翼并不是一种“新”技术，德国航太中心早在1940年就已提出这种机翼构型，霍克·西德利公司在1959-1965年间改进了设计，1972年首飞的A300既以此为基础设计出世界上最早实用化的超临界机翼。
大西洋对岸的NASA工程师理查·惠特科姆于1967年提出相似的设计，在一架改装的TF-8ASCW验证机上进行了广泛的试验并取得专利，但从世界范围看他并不是提出超临界机翼概念的第一人。
空客的全系列客机，波音的757、767、777、787、747-8，俄罗斯的伊尔-96,中国的ARJ-21和C919均采用超临界机翼，军机中则有AV-8B、S-3、C-17和A-400M。所以运-20采用超临界机翼严格说是赶上了世界潮流，并不算非常创新的设计。如果说由创新，只能说它是第一次在国产军用运输机上使用超临界机翼技术。当然，因为机翼尺度的关系，远距离用肉眼是很难分辨出超临界机翼和普通机翼区别的。
为了实现野战机场短距起降能力，运-20的机翼采用了非常复杂的增升设计：前缘设有全展向多段前缘缝翼，后缘内翼段和中翼段安装了后退式三缝襟翼，外侧为副翼，上表面还有6块用于增阻和控制姿态的大型扰流板。
运-20的机翼和襟翼结构
运-20没有采用C-17那样的吹气襟翼，是很多人认为技术水平没有C-17高的原因之一。双缝吹气襟翼直接承受发动机高温喷流的吹拂，通过缝隙引射可以产生强烈的增升效果，但对主翼及襟翼材料、发动机安装位置和推力都有很高的要求。运-20在发动机推力不足的情况下采用常规三缝富勒襟翼还是非常谨慎务实的。
从机翼的水平形状以及正面看，运-20的机翼又和伊尔-76非常接近，尤其是外置翼盒的设计如出一辙。外置翼盒加上庞大的整流罩自然会增加阻力和结构重量，但它也有相当的好处，首先是保持了货舱的完整性，不会挤占内部空间，可以装载大尺寸货物；同时还增加了机体容积，可以携带更多设备和燃油。所以对于直径较小的运-20、A-400M等军用运输机来说，外置翼盒是综合权衡后的必然之选，并不意味着设计水平上的落后。
运-20的机翼从剖面上看像C-17,从正面和顶上看像伊尔-76,似乎各学了一半，但实际上它的设计水平是非常高的，最大起飞重量265吨的C-17翼展为51.75米，而实际上在它的初始设计中最优化的翼展应为53.4米，但美国空军提出了在120x90米的野战停机坪上停放3架C-17的硬性规定，为了留出足够的安全间距不得不缩短翼展，并加装了NASA专门为其设计的2.9米高翼梢小翼，以弥补翼展不足造成的升力损失。
最大起飞重量195吨的伊尔-76MD翼展为50.5米，而与其发动机推力相同、翼展接近、机身截面更大的运-20最大起飞重量达到了220吨，运力提高1/3，这足以说明中航一飞院在机翼和整机气动设计上达到了极高的水准。
在很多文章中运-20的翼展都标注为45米，翼面积却有330平米，这两个数据应该是不准确的，它的出处可能是早期海外报道估计的翼展147-164英尺，即45-50米，还取了一个最小值。从发动机尺寸推测运-20和伊尔-76的翼展应该是基本相当的。
此外，运-20的机翼由西飞制造。