Рабочее проектирование велось на Ворошиловградском паровозостроительном заводе. На паровозе предусматривались пароперегреватель системы Чусова, радиальная топка котла, брусковая рама, передняя двухосная тележка типа АЛКО, задняя — Бисселя. Если у обычных паровозов центровая шейка пальца кривошипа ведущей оси соединялась спарниками с кривошипами всех движущих осей, то у паровоза типа 2-7-2 — только с пальцами передних сцепных осей (первой, второй и третьей). Задние же сцепные оси соединялись с пятой осью, которая, как и ведущая, имела палец с шейкой, состоявшей из двух частей: центровой, связанной спарниками с шестой и седьмой осями, и ведущей, соединенной с ведущей шейкой пальца четвертой оси особым дышлом, называемым тандем-дышлом. Головка его входила в вилкообразную головку шатуна и соединялась с ним шарнирно, благодаря чему облегчалась работа ведущего пальца четвертой оси. Для улучшения вписывания паровоза в кривые передняя тележка имела отклонение ±145 мм, задняя ±265 мм; разбег и первой и второй колесных пар был ±27 мм, седьмой ±35 мм; третья, четвертая и пятая колесные пары не имели гребней, а ширина бандажей у них была доведена до 175 мм.
Паровоз АА20-1 был первым и единственным в мире локомотивом, имевшим семь движущих осей в одной жесткой раме, а котел его — одним из самых больших паровозных котлов в Европе. В 1935 г. локомотив совершил несколько поездок, при которых обнаружился ряд конструктивных недостатков; кроме того, этот паровоз расстраивал пути, сходил с рельсов на стрелках, не помещался на повортных кругах и в стойлах депо. Эксплуатация его в связи с этим вскоре была прекращена.
