W czasie II wojny światowej uczestniczył w licznych patrolach i wyprawach na Morze Śródziemne, zarówno eskortując konwoje włoskie do Afryki Północnej, jak i próbując złapać brytyjską flotę śródziemnomorską. W listopadzie 1940 roku Brytyjczycy rozpoczęli nalot na Taranto.
"Duilio" został trafiony przez jedną torpedę wystrzeloną przez bombowiec Fairey Swordfish, co spowodowało znaczne szkody. Naprawa trwała około pięciu miesięcy, po czym okręt powrócił do służby eskorty konwojowej. Brak paliwa unieruchomił większość włoskiej floty powierzchniowej w 1942 roku, a "Duilio" pozostał poza służbą aż do kapitulacji Włoch we wrześniu 1943 roku. Został potem internowany na Malcie do 1944 roku, kiedy to alianci zezwolili mu na powrót do włoskich wód. Przeżył wojnę i kontynuował służbę w powojennej marynarce włoskiej, głównie jako statek szkoleniowy. "Duilio" został umieszczony w rezerwie po raz ostatni w 1953 roku; pozostał w inwentaryzacji włoskiej marynarki wojennej przez kolejne trzy lata, zanim został wymazany z rejestru marynarki wojennej pod koniec 1956 roku i sprzedany na złomowanie w następnym roku.