Цилиндры двигателя отлиты из серого чугуна в одном блоке с верхней частью картера и расположены вертикально в ряд. В цилиндры на всю длину хода колец запрессованы гильзы из кислотоупорного износоустойчивого чугуна. Эти гильзы увеличивают срок службы цилиндров до их расточки в 2,5-3 раза. Толщина стенок гильз равна 2 мм.
Водяная рубашка блока выполнена на всей высоте цилиндров. Седла выпускных клапанов запрессованы в блок; они изготовлены из специального жароупорного сплава высокой твердости. Обработка этих седел возможна только шлифованием. Седла впускных клапанов выполнены непосредственно в теле блока.
В нижней части блока цилиндров расположены четыре постели для вкладышей коренных подшипников коленчатого вала.
Головка цилиндров съемная, общая для всех цилиндров, отлита из алюминиевого сплава. Применение алюминиевого сплава, обладающего высокой теплопроводностью, а также надлежащая форма камеры сгорания обеспечивает работу двигателя без детонации при относительно высокой степени сжатия и умеренном октановом числе топлива.
Головка цилиндров к блоку крепится 23 шпильками. Под гайки крепления головки поставлены плоские шайбы. Порядок затягивания этих гаек очень важен. Затягивание гаек следует производить в последовательности в два приема, сначала предварительно, а затем окончательно. Рекомендуется при этом применять динамометрический ключ, контролирующий усилие затяжки. Крутящий момент должен быть в пределах 6,7-7,2 кгм. При отсутствии динамометрического ключа гайки затягивают обычным накидным ключом из комплекта инструмента водителя усилием одной руки без рывков, во избежанием обрыва шпилек или деформации цилиндров.
Затягивать гайки нужно обязательно на холодном двигателе, так как коэффициент линейного расширения у стальных шпилек значительно меньше, чем у алюминиевой головки, поэтому затяжка, сделанная на горячем двигателе, после его остывания окажется совершенно недостаточной.
Соединение головки цилиндров с блоком уплотняется прокладкой, изготовленной из сталеасбестового полотна, пропитанного фитом. Окна камер сгорания и отверстия для прохода воды в прокладке окантованы листовым металлом. Толщина сжатой прокладки составляет примерно 1,5 мм.
Перед постановкой прокладки на место ее следует дополнительно натереть с обеих сторон порошком графита для предотвращения приставания асбеста к блоку или к головке.

Поршни, изготовляемые из алюминиевого сплава, имеют плоские днища и юбки эллиптической формы (величина эллиптичности 0,29 мм). Для придания поршню пружинящих свойств на его юбке сделан П-образный прорез. Большая ось эллипса юбки поршня расположена перпендикулярно оси поршневого пальца. Поэтому в двигателе зазор между поршнем и цилиндром в направлении, в котором на поршень действуют боковые силы от шатуна (перпендикулярно оси коленчатого вала), значительном меньше, чем в направлении, в котором боковых сил нет (параллельно оси коленчатого вала).
Во время работы двигателя поршень от нагревания расширяется больше в направлении оси поршневого пальца, чем в направлении, перпендикулярном ему; эллиптичность поршня при этом уменьшается, и его форма приближается к круглой. Такое свойство поршня получено за счет распределения его материала и за счет П-образного прореза на юбке. Это свойство позволяет уменьшать зазор между цилиндром и поршнем в направлении действия боковых сил и обеспечивать, с одной стороны, работу холодных двигателей без стука поршней, а с другой - уменьшение трения между поршнем и цилиндром, что предотвращает образование задиров на поршнях во время работы двигателя с полной нагрузкой. В цилиндре поршень установлен так, что П-образный прорез обращен в сторону, противоположную клапанной коробке.
На головке поршня сделано 5 кольцевых канавок. Верхняя, самая узкая канавка задерживает распространение тепла от днища поршня и этим уменьшает нагрев верхнего компрессионного кольца, предохраняя его от пригорания. В двух следующих канавках помещаются компрессионные кольца и в двух последних (самых широких) - маслосъемные кольца.
В канавках для маслосъемных колец просверлены отверстия, через которые смазка, снимаемая кольцами со стенок цилиндров, поступает во внутреннюю полость поршня, а затем стекает в картер. В средней части поршня имеются бобышки с отверстиями для поршневого пальца. В нижней части юбки поршня под бобышками сделаны 2 прилива, срезанием которых на заводе подгоняют поршни по весу. Для улучшения прирабатываемости пары поршень - цилиндр, поршни покрыты оловом.
Поршневые кольца изготавливаются из серого чугуна. Каждое кольцо делается из отдельной отливки, чем обеспечивается надлежащая структура материала.
Компрессионные кольца на внутренней поверхности имеют фаску, вызывающую некоторый перекос кольца в его канавке. Вследствие этого перекоса кольцо прилегает к цилиндру не всей своей поверхностью, а лишь нижней кромкой, что улучшает и ускоряет приработку кольца. При установке колец на поршень их фаски должны быть обращены вверх, в сторону днища.
Компрессионные кольца по размерам одинаковы. Верхнее компрессионное кольцо, находящееся ближе других колец к камере сгорания и поэтому работающее в очень тяжелых условиях, покрыто пористым хромом, что резко повышает его долговечность. Повышение стойкости верхнего компрессионного кольца, защищающего остальные кольца от воздействия продуктов сгорания, увеличивает стойкость всех колец, а также зеркала цилиндра.
Оба маслосъемные кольца одинаковы, они имеют щели в средней части для отвода масла. Замки у всех колец прямые. Второе компрессионное и оба маслосъемных кольца лудятся для лучшей прирабатываемости к цилиндрам.
Поршневые пальцы плавающего типа, стальные, пустотелые. Наружная поверхность пальцев закалена токами высокой частоты. От осевых перемещений пальцы удерживаются двумя плоскими пружинными стопорными кольцами, установленными в канавках бобышек поршня. Снятие и установка стопорных колец должна производиться кругогубцами.
Шатуны двутаврового сечения стальные кованые. В верхние головки шатунов запрессованы бронзовые втулки. Для смазки пальца в верхней головке сделан прямоугольный вырез.
Нижняя головка шатуна разъемная, с крышкой. Крепление крышки осуществляется двумя болтами и гайками, шплинтуемыми по отдельности. На верхнем конце шатуна, над его малой головкой и на крышке нижней головки имеются массивные бобышки, при срезании которых на заводе подгоняется общий вес шатуна и распределение веса между головками. В комплекте для одного двигателя разница в весе шатунов допускается в пределах 8 г.
В нижние головки шатунов устанавливаются взаимозаменяемые тонкостенные вкладыши, сделанные из стальной ленты, залитой свинцово-теллуристым баббитом марки БСТ. Вкладыши удерживаются в головке при помощи отогнутых усиков, входящих в прорезы на шатуне и на крышке.
Шатуны двигателя М-20 несмотря на одинаковые основные размеры не взаимозаменяемы с шатунами двигателя ГАЗ-51. Шатуны двигателя М-20 имеют симметричные нижние головки, а шатуны двигателя ГАЗ-5 - несимметричные. Для отличия на шатунах М-20 делается круглый выступ.
Коленчатый вал четырехопорный, стальной, кованый, статически и динамически сбалансированный, снабжен противовесами для разгрузки коренных подшипников от действия инерционных сил. Шейки вала для повышения износоустойчивости подвергнуты поверхностной закалке на глубину 3-5 мм. Смазка от коренных подшипников к шатунным подводится по каналам, просверленным в теле вала.
Крышки коренных подшипников плотно входят в паз на блоке, что удерживает их от боковых перемещений; крепятся они болтами, ввертываемыми в тело блока. Болты, крепящие три первых крышки (считая спереди), шплинтуются попарно проволокой, а болты крепления задней крышки стопорятся отгибанием усиков пластины, поставленной под ними.
Вкладыши коренных подшипников взаимозаменяемые, такого же типа, как и шатунные, но изготовлены из более толстой ленты. Верхние вкладыши коренных подшипников отличаются от соответствующих нижних формой масляных канавок и отверстиями для подвода масла.
Осевые перемещения вала ограничиваются упорным подшипником, состоящим из двух шайб, расположенных по обе стороны переднего коренного подшипника. Шайбы изготовляются из стальной залитой баббитом ленты.