A modernização do "Andrea Doria" terminou em outubro de 1940, depois do início da Segunda Guerra Mundial, com ele retornando para a 5ª Divisão da frota no dia 26. Ele foi não foi danificado na Batalha de Tarento na noite de 11 para 12 de novembro de 1940 e foi despachado para Nápoles logo em seguida. A Marinha Real foi reorganizada no início de dezembro, com o "Andrea Doria" permanecendo na 5ª Divisão junto com o couraçado "Giulio Cesare". O navio realizou sua primeira operação no início de janeiro de 1941 junto com o couraçado "Vittorio Veneto" em resposta a uma série de comboios britânicos para Malta. Os couraçados italianos não conseguiram localizar as forças inimigas e retornaram para o porto no dia 11 de janeiro. O "Andrea Doria" partiu em outra surtida em 8 de fevereiro, desta vez na companhia do "Giulio Cesare" e do "Vittorio Veneto", em resposta a relatos sobre forças britânicas na área. Eles estavam perto da Sardenha quando receberam informações que os britânicos estavam bombardeando Gênova, virando para o norte a fim de interceptar a força inimiga, porém não conseguiram localizá-la em meio a uma espessa neblina.