Durant la Segona Guerra Mundial, va participar en nombroses patrulles i sortides a la Mediterrània, tant per escoltar els combois italians cap al nord d'Àfrica com en els intents d'agafar la flota mediterrània britànica. El novembre de 1940, els britànics van llançar un atac aeri a Tàrent.
El "Duilio" va ser colpejat per un torpede llançat per un bombarder torpede Fairey Swordfish, que va causar danys significatius. Les reparacions van durar uns cinc mesos, després dels quals el vaixell va tornar a les funcions d'escorta de combois. Una escassetat de combustible va immobilitzar la major part de la flota de superfície italiana el 1942, i el "Duilio" va romandre fora de servei fins a la rendició italiana al setembre de 1943. Després va ser internat a Malta fins a 1944, quan els Aliats li van permetre tornar a les aigües italianes. Va sobreviure a la guerra i va continuar servint a la marina italiana de postguerra, principalment com a vaixell d'entrenament. El "Duilio" va ser posat en reserva per última vegada el 1953; va romandre en l'inventari de la marina italiana durant tres anys més abans de ser suprimit del registre naval a finals de 1956 i venut per a desguaçar l'any següent.