Beim Kriegseintritt Italiens in den Zweiten Weltkrieg war das Schlachtschiff wieder in Tarent stationiert. Am 8. Juli 1940 nahm die "Conte di Cavour" an der Seeschlacht bei Punta Stilo teil, der ersten Auseinandersetzung zwischen der italienischen und der britischen Flotte. Während des britischen Angriffs auf Tarent erhielt sie in der Nacht vom 11. zum 12. November 1940 mittschiffs einen Torpedotreffer, der ein 12 × 8 Meter großes Loch in die Bordwand schlug. Das Pugliese-Torpedoverteidigungssystem erwies sich als Fehlkonstruktion, da sie die Wirkung des Torpedotreffers eher verstärkte als minderte, so dass es zu starken Wassereinbrüchen kam. Es wurde noch versucht, das Schlachtschiff nahe an der Küste auf Grund zu setzen, doch es versank noch im Außenhafen bis zu den Aufbauten im flachen Hafenwasser. 17 Besatzungsmitglieder verloren dabei ihr Leben.