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 un ataque aéreo en Taranto.
El "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.