Tijdens de Tweede Wereldoorlog nam ze deel aan talrijke patrouilles en uitvaarten in de Middellandse Zee, zowel om Italiaanse konvooien naar Noord-Afrika te begeleiden als in pogingen om de Britse Middellandse Zeevloot te vangen. In november 1940 lanceerden de Britten een luchtaanval op Taranto.
"Duilio" werd geraakt door een torpedo gelanceerd door een Fairey Swordfish torpedo bommenwerper, die aanzienlijke schade veroorzaakte. De reparaties duurden zo'n vijf maanden, waarna het schip weer konvooien kon begeleiden. Door een tekort aan brandstof werd het grootste deel van de Italiaanse vloot in 1942 geïmmobiliseerd en bleef "Duilio" buiten dienst tot de Italiaanse overgave in september 1943. Vervolgens werd ze geïnterneerd op Malta tot 1944, toen de geallieerden haar toestemming gaven om terug te keren naar Italiaanse wateren. Ze overleefde de oorlog en bleef na de oorlog in de Italiaanse marine dienen, voornamelijk als trainingsschip. "Duilio" werd voor het laatst in 1953 in reserve geplaatst; ze bleef nog drie jaar in de inventaris van de Italiaanse marine voordat ze eind 1956 uit het maritieme register werd geschrapt en het volgende jaar voor sloop werd verkocht.