El primer prototipo volo en Octubre 2 de 1938 en Tolouse-Francazals, impulsado por un motor Hispano-Suiza 12Y-21 con helice bipala, alcanzando una velocidad de 480km/h; se adopto entonces el motor HS 12Y-29 con helice tripala y se instalo un radiador unico ventral, alcanzando los 513km/h el 7 de Febrero de 1939. El nuevo prototipo fue desarrollado con una nueva deriva, cabina cerrada, tren de aterizaje reforzado y fue armado con un cañon de 20mm instalado axialmente al motor y dos ametralladoras subalares, este ejemplar volo en Enero 28 de 1939, alcanzando los 527km/h al mando del capitan Rozanoff. El tercer ejemplar D.520.03 mejorado con un sobrecompresor Szydlowski, volo en Septiembre de 1939.
 
 

D.520 del JG 105 de entrenamiento de caza de la Luftwaffe con base en Chartress, 1944	D.520 del JG 101 con base en Pau-Nord, Francia, Marzo 1944	D.520 No 190 de la 6° Escuadrilla, Grupo de caza III/6, con base en Ryak, Siria, 1941.

El primer D.520 de serie volo el 2 de Noviembre de 1939, cuando ya se habia inciado la guerra, el Arma de Caza habia solicitado en Abril de 1939, 200 D.520; elevando la cifra finalmente a 2.200 para Mayo de 1940; previendose un ritmo de produccion de 350 mensuales para Noviembre de 1940. El 10 de mayo de 1940, cuando los alemanes inicaron su ofensiva en Francia, el Grupo de Caza I/3 con base en Canner-Mandelieu solo disponia de 36 D.520, habiendo sido entregados algunos otros aparatos a los GC II/3, GC II/7 y GC III/3 como entrenadores. 

OPERACIONAL
El 13 de Mayo de 1940, el GC I/3 logro su primer derribo en accion, con tres Henschel Hs 126  y un Heinkel He 111. Al dia siguiente, sobre Sedan destruyo cuatro Messerschmitt Bf 110, dos Bf 109, dos Do 17 y dos He 111 con la perdida de dos aparatos. El 17 de mayo la Luftwaffe ataco la base de Wez-Thuizy, destruyendo en el suelo siete D.520, siendo trasladada la misma a Meux-Esbly. El GC II/3 derribo a partir del 21 de Mayo y tres semanas siguientes un total de 31 aviones alemanes, entre ellos 12 Junkers Ju 87, con la perdida de 20 aparatos. En el sur de Francia, el Grupo de Caza III/6 recibio su primer D.520 el 10 de Junio, logrando abatir el 15 de junio cuatro Fiat CR.42 y un BR.20 de reconocimiento.

El 25 de Junio se habian entregado un total de 437 D.520, de ellos 351 al Arma del Aire y 52 a la Aeronavale, se perdieron 106 en combate o accidentes; 153 fueon enviados a la Francia no ocupada, 175 a Africa del Norte y tres llegaron a Gran Bretaña con sus pilotos del GC III/7 e integrados en el 1° Grupo de caza de las "Fuerzas Aereas de la Francia Libre" que inicio su conformacion en Agosto 29 de 1940.

En Abril de 1941, la comision alemana de armisticio aprobo la construccion de 1074 aparatos en las fabricas de la zona de Vichy, y en agosto la organizacion SNCASE recibio un pedido de 550 D.520; se habian entregado 349 a finales de 1942, con 197 de ellos impulsados por motores Hispano-Suiza 12Y-49 de 820hp y helices Chauviere.

Despues de los desembarcos aliados en el Norte de Africa, los alemanes ocuparon el resto de Francia y el 27 de Noviembre de 1942 el Arma del Aire francesa fue desmovilizada, los alemanes tomaron posesion de 1.876 aparatos, de los cuales 246 eran D.520. En Marzo de 1943 se ordeno a la organizacion SNCASE la terminacion de 150 restantes, elevando la produccion de Dewioitine D.520 a 905. A partir de 1943 el avion fue ampliamente usado en la Luftwaffe, especialmente como entrenador de caza y en las Jagschwader enviadas al Frente del Este. Entre ellas la JG 105 con base en Chartres, la JG 103 en Zeltweg, Austria y la JG 101 en Pau-Nord al mando del Walter Nowotny, as de caza aleman, a comienzos de 1944. 

Entre 1942 y 1943 se entregaron sesenta D.520 a la Regia Aeronautica que fueron encuadrados en una escuadrilla de los Grupos Nos 13, 22, 24 y 167 con misiones de defensa del territorio italiano. En 1943 Alemania suministro 120 Dewointine D.520 a las Fuerzas Aereas de Bulgaria que equipo con ellos dos escuadrones de la 6° Fuerza Aerea encargada de defender a Sofia.