Показана возможность повышения механических свойств стали 20ГЛ за счёт электроискрового легирования (ЭИЛ) никелевым или молибденовым электродами её поверхности и многофакторного положительного влияния финишной ультразвуковой ударной обработки (УЗУО). Показано, что отдельно применённая УЗУО ведёт к росту микротвёрдости и повышению усталостной прочности стали 20ГЛ на базе 10$^{6}$ циклов в условиях амплитудных циклических нагрузок в пределах 360–400 МПа. Поверхностный слой после ЭИЛ молибденом демонстрирует микротвёрдость вдвое выше, чем исходный и легированный никелем образцы стали 20ГЛ, что связано с твёрдорастворным упрочнением и многофазностью модифицированного молибденом слоя. Финишная УЗУО модифицированных ЭИЛ слоёв повышает усталостную долговечность стали 20ГЛ, прежде всего, за счёт снижения шероховатости, формирования остаточных макронапряжений сжатия и создания мелких дислокационных ячеистых структур. При этом увеличение числа микроструктурных концентраторов и уменьшение их мощности снижает вероятность локализации деформации и раннего зарождения усталостных трещин.