Under Anden Verdenskrig deltog skibet i adskillige patruljeringer og udskibninger i Middelhavet, både for at eskortere italienske konvojer til Nordafrika og i forsøg på at fange den britiske Middelhavsflåde. I november 1940 indledte briterne et luftangreb på Taranto.
"Duilio" blev ramt af en torpedo affyret af en Fairey Swordfish torpedobomber, som forårsagede betydelig skade. Reparationerne varede omkring fem måneder, hvorefter skibet igen blev brugt som konvojeskorte. En brændstofmangel immobiliserede hovedparten af den italienske overfladeflåde i 1942, og "Duilio" forblev ude af tjeneste indtil den italienske kapitulation i september 1943. Derefter blev skibet interneret på Malta indtil 1944, da de allierede tillod skibet at vende tilbage til italienske farvande. Hun overlevede krigen og fortsatte med at tjene i den italienske flåde efter krigen, primært som træningsskib. "Duilio" blev placeret i reserve for sidste gang i 1953; hun forblev i den italienske flådes inventar i yderligere tre år, før hun blev slettet fra flåderegistret i slutningen af 1956 og solgt til skrotning det følgende år.