Os dois navios passarem por grandes processos de modernização a partir de 1937 e duraram até meados de 1940. A Itália nessa época já tinha entrado na Segunda Guerra Mundial do lado do Eixo. Ambos foram designados para a 5ª Divisão baseada em Tarento. O "Duilio" participou no final de agosto de uma patrulha que tinha a intenção de interceptar o couraçado britânico HMS "Valiant" e um comboio seguindo para Malta, porém não conseguiram encontrar os alvos. Ele e o "Andrea Doria" estavam presentes durante um ataque aéreo britânico contra Tarento na noite de 11 para 12 de novembro de 1940. Uma força de bombardeiros Fairey Swordfish do porta-aviões HMS "Illustrious" atacaram as embarcações atracadas no porto. O "Andrea Doria" não foi danificado, porém o "Duilio" foi acertado por um torpedo a bombordo e precisou ser encalhado para que não afundasse no porto. Reparos temporários foram realizados para que pudesse viajar para Gênova, com os concertos definitivos começando em janeiro de 1941. O couraçado foi atacado em fevereiro pela Força H britânica, porém não foi atingido. Os reparos do "Duilio" terminaram em maio e ele retornou para a frota em Tarento.