Nell'aprile del 1940 partecipò all'Operazione Weserübung, l'invasione tedesca di Danimarca e Norvegia, come nave ammiraglia del "Marinegruppe 3" incaricato di occupare il porto norvegese di Bergen; la missione si concluse con un successo, e la "Köln" poté rientrare indenne in patria. In seguito, operò nel Baltico in appoggio alle truppe della Wehrmacht impegnate nell'invasione dell'Unione Sovietica; tra il settembre e l'ottobre del 1941, appoggiò l'invasione tedesca delle isole di Saaremaa e Hiiumaa, distruggendo con i suoi grossi calibri una batteria costiera sovietica posta sul Capo Ristna. Sul finire del 1941, sulla "Köln" vennero sperimentati degli elicotteri Flettner Fl 265, che decollavano da una apposita piattaforma installata sopra la torre B.