고산동20호분은 대성산의 소문봉 서남쪽 기슭에서 대동강 쪽으로 뻗어나가다가 대성동에서 삼석구역으로 이어지는 도로에 의해 잘린 낮은 구릉의 동북쪽 기슭에 조성되었다. 무덤 앞은 탁 트였고 무덤 뒤로 대성산성(大聖山城), 동쪽으로 안학궁터〔安鶴宮址〕가 보인다. 무덤의 서북 1㎞ 지점에 고산동 1호분, 고산동7호분, 고산동 9호분, 고산동10호분 등의 벽화고분들이 있다.
고산동20호분의 무덤방향은 남향이다. 널길〔羨道〕과 널방〔玄室〕으로 이루어진 외방무덤〔單室墳〕으로 널길은 널방 남벽의 동쪽에 치우쳐 설치되었다. 무덤칸은 반지하에 축조되었고 무덤칸 바닥은 2㎝ 두께로 숯을 덮고 다시 4.5㎝ 두께로 회를 발라 마무리하였다. 무덤칸 천장부는 무너지고 벽체의 상당 부분도 파괴된 상태로 발견, 조사되었다. 널방으로 들어가는 입구에 회죽을 두껍게 발라 문틀을 만들었으며 널방 안에는 남북으로 길게 높고 낮은 두 개의 널받침〔棺臺〕를 설치하였다. 널길의 길이×너비×높이는 각각 2.20m×1.90m×1∼1.20m이고, 널방은 2.70m×2.45m×1∼1.50m이다.
널방 안에 회를 바르고 그 위에 벽화를 그렸으나 회벽이 떨어지면서 벽화 내용을 파악할 수 있는 곳이 적어졌다. 널방 벽 모서리에는 붉은 색으로 22㎝ 두께의 목조 가옥 기둥을 그렸지만 서북 모서리의 것만 형태가 잘 남아 있다. 목조 가옥의 뼈대만 벽화로 표현한 유사한 사례로 집안의 만보정1368호분을 들 수 있다. 무덤칸 바닥에서 수습한 회벽조각 가운데 구름무늬의 흔적이 있는 것으로 보아 고산동20호분의 벽화 주제가 생활풍속일 가능성도 있다.
고산동20호분은 무덤구조, 벽화의 내용으로 보아 5세기 전반에 축조된 것으로 보인다. 이 무덤은 목조 가옥 기둥이 그려진 몇 안 되는 벽화고분으로서 그 자료적 가치가 자못 크다.