Durante la Segunda Guerra Mundial, participó en numerosas patrullas y salidas al Mediterráneo, tanto para escoltar convoyes italianos hacia el norte de África como en intentos de atrapar a la Flota Mediterránea británica. En noviembre de 1940, los británicos lanzaron una
ataque aéreo en Taranto; "Duilio" fue alcanzado por un torpedo lanzado por un bombardero torpedo Fairey Swordfish, que causó daños significativos. Las reparaciones duraron unos cinco meses, después de lo cual el barco regresó a las tareas de escolta de convoyes. Una escasez de combustible inmovilizó la mayor parte de la flota de superficie italiana en 1942, y el "Duilio" permaneció fuera de servicio hasta la rendición italiana en septiembre de 1943. A partir de entonces fue internado en Malta hasta 1944, cuando los Aliados le permitieron regresar a aguas italianas. Sobrevivió a la guerra y continuó sirviendo en la marina italiana de posguerra, principalmente como buque de entrenamiento. El "Duilio" fue puesto en reserva por última vez en 1953; permaneció en el inventario de la marina italiana durante otros tres años antes de que fuera retirado del registro naval a fines de 1956 y vendido para su desguace al año siguiente.