В феврале 1932 года Техническое бюро Транспортного отдела ОГПУ завершило разработку эскизного проекта, после чего он был передан в Локомотивопроект Народного комиссариата тяжёлой промышленности СССР (Центральное локомотивопроектное бюро — ЦЛПБ) для рабочего проектирования.
В апреле из ЦЛПБ рабочие чертежи поступают на Коломенский завод, который при участии Ижорского завода 4 октября 1932 года выпустил первый пассажирский паровоз типа 1-4-2. По решению рабочих завода, новому паровозу была присвоена серия ИС (Иосиф Сталин), а полное обозначение — ИС20-1 (20 — осевая нагрузка от движущей колёсной пары на рельсы, в тс, № 1). 5 ноября была проведена первая обкатка паровоза, а 7 ноября, в день XV годовщины Октябрьской революции, он прибыл для показа в Москву. 20 декабря на Коломенском заводе был собран второй паровоз серии — ИС20-2, а в 1933 году ИС20-3. С апреля по декабрь 1933 года попеременно на трёх дорогах (Южной, Екатерининской и Октябрьской) были проведены испытания паровоза ИС20-2. В этих испытаниях паровоз показал мощность в 2500 л. с.
В 1934 году на XVII-ом съезде ВКП (б) было принято решение о том, что паровоз ИС во второй пятилетке должен стать основной единицей пассажирского паровозного парка[6]. В том же году Коломенский завод выпустил ещё 2 паровоза ИС и столько же — в 1935. Однако, из-за отсутствия надлежащего оборудования (например, для изготовления и сборки брусковой рамы) наладить серийное производство паровозов данной серии на этом заводе в ближайшее время оказалось невозможным. Поэтому, в конце 1935 года документация по производству паровозов серии ИС была передана на Ворошиловградский паровозостроительный завод, новые цеха которого (были сооружены в 1927—1931 гг.) позволяли строить паровозы «американской конструкции» (с брусковыми рамами и блочными цилиндрами). В 1936 году Ворошиловградский паровозостроительный завод выпускает свои первые 3 паровоза ИС (№ 20-8 — 20-10; ИС20-7 так и не был достроен). В отличие от ИС Коломенского завода, эти ИС были выпущены с шестиосным тендером 6П (паровозы ИС № 1—6 выпускались с четырёхосным), который был разработан на Ворошиловградском заводе специально для этих паровозов. В 1937 году завод переходит уже на крупносерийное производство паровозов ИС, выпустив в том году 105 паровозов. Параллельно с этим, на заводе продолжается крупносерийное производство грузовых паровозов ФД.
В сентябре 1936 года Ворошиловградский завод имени Октябрьской революции закончил проектирование паровоза «ИС» обтекаемой формы и составил график его постройки. Планировалось его построить к 15 ноября 1936 года — в подарок VIII Всесоюзному съезду Советов[8]. Но только в 1937 году завод смог выпустить паровоз, на котором в качестве опыта был установлен обтекаемый кожух (ИС20-16). Ещё в начале 1930-х ВНИИЖТ совместно с Московским авиационным институтом провели комплексные испытания модели локомотива в аэродинамической трубе, в ходе которых выяснилось, что при скоростях выше 100 км/ч применение обтекаемого кожуха, благодаря снижению воздушного сопротивления, может дать выигрыш в мощности в 200—250 л. с. Проведённые испытания данного паровоза также подтвердили значительное снижение вредного сопротивления паровоза на высоких скоростях, благодаря чему ИС20-16 смог разогнаться до скорости 155 км/ч. В дальнейшем эти результаты были использованы при создании скоростных паровозов типа 2-3-2 (П12 и № 6998)[9]. Также в 1937 году один из паровозов серии ИС (а именно ИС20-241) был представлен на Всемирной выставке в Париже, где получил премию Гран-при (обойдя при этом польский Pm36)