Le Dewoitine est Conçu à partir de 1936 par Emile DEWOITINE, pour répondre à un appel d’offres de l’armée de l’air Française recherchant un chasseur succédant au Dewoitine 510 et capable d’atteindre 520 km/h.
C’est la Société Nationale des Constructions Aéronautiques du Midi (SNCAM, issue de la nationalisation des ateliers Dewoitine) qui réalisera ce projet. Trois prototypes furent construits : le premier, qui volera le 2 octobre 1938, équipé d’un moteur Hispano-Suiza 12Y21 de 890 ch, ne dépassera pas les 480 km/h. Suite à un accident, il sera remotorisé avec un 12Y29 équipé d’une hélice à pas variable et, piloté par Léopold Galy (aviateur et pilote d’essai français), atteindra alors la vitesse de 825 km/h en piqué.
Deux autres prototypes suivirent au cours de l’année 1939, équipés de leur armement. Ensuite ce sont 200 exemplaires qui furent commandés, suivis de 510 exemplaires en juin 1939. En septembre 1939, avec l’ouverture des hostilités, le total des commandes passera à 1 280 et, en avril 1940, à 2 250.
Le D.520 de série, dont le premier exemplaire fut produit en novembre 1939, était équipé d’un moteur Hispano-Suiza 12Y45 de 935 ch et armé dans les ailes de quatre mitrailleuses MAC34 de 675 coups, et d’un canon de 20 mm HS -404 de 60 coups tirant à travers l’axe de l’hélice. Son assemblage demandait 8 000 heures de travail.
Le D.520 commença à équiper l’armée de l’air à partir de janvier 1940, véritablement opérationnel qu’à partir de mai 1940. À l’armistice 437 exemplaires avaient été produits et 351 livrés.
En avril 1941, la production reprit pour équiper l’armée de l’Air du régime de Vichy qui en commanda 550 exemplaires.
Bien qu’un peu moins rapide que le Messerschmitt BF 109, il était plus maniable et il fut l’un des seuls appareils capables de lui résister durant la bataille de France en mai-juin 1940. Toutefois, construit en trop petit nombre et arrivé trop tard dans les divers groupes de chasse qu’il équipait, il ne suffit pas à renverser le cours de l’histoire. La première unité à en être équipée fut le groupe de chasse I/3. Au déclenchement de l’offensive allemande, ce groupe est la seule unité à en être pourvue, avec 34 avions opérationnels. Les appareils de ce groupe obtinrent leurs premières victoires le 13 mai, en abattant trois Henschel HS 126 et un Heinkel HE 111. L’escadrille de chasse no 1 de l’aéronavale en reçut quelques-uns.
Le Dewoitine D.520 est cependant crédité de 147 victoires en combat aérien contre la Lutwaffe et la Regia Aéronautica.
En 1941, les Dewoitine de l’Armée de l’Air et de l’Aéronavale (Escadrille 1.A.C) participèrent à la campagne de Syrie.
DECertains appareils, capturés par l’armée allemande lors de l’invasion de la zone non occupée en novembre 1942, furent utilisés par la Luftwaffe comme avions d’entraînement. Ils furent aussi vendus en grand nombre à la force Bulgare, environ 150 appareils, qui luttèrent contre les appareils américains.
À la libération, le D.520 reprit du service au sein du groupe de chasse FFI de Marcel Doret qui devint, le 30 novembre 1944, le groupe G.C. 11/18 « Saintonge » et qui combattit lors des opérations au-dessus de la poche de Royan.
À la fin de la guerre, les appareils restants furent utilisés pour l’entraînement des pilotes français, et ce, jusqu’en 1953.