Během druhé světové války se zúčastnila četných hlídek a výsadek do Středozemního moře, a to jak při doprovodu italských konvojů do severní Afriky, tak při pokusech chytit britskou středomořskou flotilu. V listopadu 1940 zahájila Británie letecký útok na Taranto.
"Duilio" byla zasažena jedním torpédem vypuštěným torpédovým bombardérem Fairey Swordfish, který způsobil značné škody. Opravy trvaly asi pět měsíců, po nichž se loď vrátila k doprovodu konvojů. Nedostatek paliva znehybnil většinu italské povrchové flotily v roce 1942 a "Duilio" zůstala mimo službu až do kapitulace Itálie v září 1943. Poté byla internována na Maltě až do roku 1944, kdy jí Spojenci dovolili vrátit se do italských vod. Přežila válku a pokračovala ve službě v poválečném italském námořnictvu, především jako výcviková loď. "Duilio" byla naposledy v roce 1953 umístěna do zálohy; zůstala v inventáři italského námořnictva dalších tři roky, než byla vymazána z námořního rejstříku na konci roku 1956 a prodána na šrot následujícího roku.