Valmistumisensa jälkeen Dulbecco oli seuraavat kuusi vuotta pääsääntöisesti Italian asevoimissa lääkärinä. Hän palveli toisen maailmansodan aikana sekä itä- että länsirintamalla. Dulbecco haavoittui Venäjällä 1942 ja palasi tämän jälkeen kotimaahansa. Toivuttuaan hän ei kuitenkaan palannut asevoimiin vaan piiloutui Torinon lähettyvillä olleeseen kylään, jossa hän hoiti saksalaisia vastaan taistelleita partisaaneja. Saksan antauduttua Dulbecco oli hetken ajan mukana Kansallisen vapautuksen komitean toiminnassa Torinossa ja sodan jälkeen myös Torinon kaupunginvaltuustossa, mutta palasi pian Torinon yliopistoon opiskelemaan fysiikkaa ja tekemään lääketieteellistä tutkimusta.