Après sa remise en service, le cuirassé servit principalement d'escorteur pour les convois à destination de la Libye. En décembre 1941, avec à bord l'amiral Carlo Bergamini, il participa à la première bataille du golfe de Syrte suivie de l'escorte du convoi "M 43" du 3 au . Après une ultime mission d'escorte du 21 au 24 février, le "Caio Duilio" n'effectua plus que quelques sorties d'entraînement faute de carburant et à partir de 1943, le cuirassé resta immobilisé à Tarente, servant de simple batterie antiaérienne flottante.