Durante la seconda guerra mondiale, partecipò a numerose pattuglie e incursioni nel Mediterraneo, sia per scortare i convogli italiani in Nord Africa che per tentare di catturare la flotta britannica del Mediterraneo. Nel novembre del 1940, gli inglesi lanciarono un attacco aereo su Taranto.
La "Duilio" fu colpita da un siluro lanciato da un bombardiere Fairey Swordfish, che causò danni significativi. Le riparazioni durarono circa cinque mesi, dopo di che la nave tornò a scortare i convogli. Una carenza di carburante immobilizzò la maggior parte della flotta di superficie italiana nel 1942, e il "Duilio" rimase fuori servizio fino alla resa italiana nel settembre 1943. Fu quindi internata a Malta fino al 1944, quando gli Alleati le permisero di tornare nelle acque italiane. Sopravvisse alla guerra e continuò a servire nella marina italiana del dopoguerra, principalmente come nave da addestramento. La "Duilio" fu messa in riserva per l'ultima volta nel 1953; rimase nell'inventario della marina italiana per altri tre anni prima di essere cancellata dal registro navale alla fine del 1956 e venduta per la demolizione l'anno successivo.