Chęć zwiększenia mocy niszczącej pocisków spowodowała, że nabój 15 × 96 przekonstruowano, zwiększając średnicę szyjki łuski do 20 mm i skracając łuskę. Otrzymany w ten sposób nabój 20 × 82 służył do zasilania wersji karabinu (działka) MG 151/20. Wystrzeliwany z niego pocisk burzący o masie 115 g osiągał prędkość wylotową 710 m/s i energię 29 kJ; specjalny pocisk burzący M-Geschoss o masie 92 g odpowiednio – 800 m/s i 29,4 kJ.
Wersja 20 mm broni miała masę 42 kg, była nieco krótsza (177 cm), z lufą długą na 110 cm; szybkostrzelność pozostała bez zmian. Działko MG 151/20 miało bardzo solidną i niezawodną konstrukcję i pozostało głównym uzbrojeniem niemieckich samolotów, mimo że nie miało specjalnie dobrych osiągów jeśli chodzi o wagę, czy szybkostrzelność.
Użycie Od 1941 karabin MG 151/15 stanowił główne uzbrojenie samolotów myśliwskich Messerschmitt Bf 109 w wersji F-2, a także na samolotach Heinkel He 115C (na dziobie) i jako wewnętrzny w skrzydłach Fw-190. Jako uzbrojenie obronne używany był na maszynach Dornier Do 217.