Per Antrąjį pasaulinį karą laivas dalyvavo daugelyje patrulių ir išvykų į Viduržemio jūrą, lydėjo italų konvojus į Šiaurės Afriką ir bandė sugauti Didžiosios Britanijos Viduržemio jūros laivyną. 1940 metų lapkritį britų lėktuvai atakavo Tarantą.
"Duilio" nukentėjo nuo vieno Fairey Swordfish torpedų bombonešio paleisto torpedo, kuris padarė didelę žalą. Remontas truko apie penkis mėnesius, o po to laivas vėl pradėjo palydėti konvojus. 1942 m. dėl kuro trūkumo Italijos paviršinio laivyno dalis buvo imobilizuota, o "Duilio" iki Italijos kapitulacijos 1943 m. rugsėjo liko nenaudojamas. Vėliau laivas buvo internuotas Maltoje iki 1944 m., kai sąjungininkai leido jam grįžti į Italijos vandenis. Jis išgyveno karą ir toliau tarnavo po karo Italijos kariniame jūrų laivyne, daugiausia kaip mokymo laivas. "Duilio" paskutinį kartą buvo įleistas į rezervą 1953 m.; jis liko Italijos karinio jūrų laivyno inventoriuje dar trejus metus, kol 1956 m. pabaigoje buvo išbrauktas iš karinio jūrų laivyno registro ir parduotas šrotui kitais metais.