Sau khi hoàn tất việc sửa chữa vào tháng 7 năm 1940, và được bổ sung một bộ radar Kiểu 279, "Ajax" được điều đến Địa Trung Hải. Vào ngày 11-12 tháng 10 năm 1940, nó đối đầu cùng một lực lượng hạm đội Italy ngoài khơi mũi Passero, đánh chìm các tàu phóng lôi "Airone" và "Ariel" thuộc lớp tàu phóng lôi "Spica", cùng làm hư hại nặng tàu khu trục "Artigliere", vốn sau đó bị HMS "York" đánh chìm. "Ajax" đã chặn ngang các tàu chiến Đức và Ý đang rút lui về hướng Crete, và đã dội một màn hỏa lực kết hợp pháo hạng nặng và hạng nhẹ hoàn toàn tiêu diệt được đối phương. Sau đó "Ajax" tham gia trận Taranto, một hoạt động ban đêm dựa vào sự dẫn đường của thiết bị định vị radio (RDF: radio detection finder). "Ajax" là một trong các tàu hộ tống trong chiến dịch rất thành công này, một cuộc tấn công của hải quân hoàn toàn bằng không lực đầu tiên trong lịch sử. "Ajax" tham gia trận chiến mũi Matapan, và bị trúng bom ném từ máy bay ném bom bổ nhào Junkers Ju 87 vào ngày 21 tháng 5. Nó cũng giúp triệt thoái nhiều binh lính từ đảo Crete cho đến ngày 29 tháng 5 năm 1941. Sau đó, nó hỗ trợ cho Chiến dịch Syria-Liban trong tháng 6, rồi gia nhập Lực lượng K tại Malta vào tháng 11 năm 1941, nhưng được rút về vùng biển nhà vào tháng 2 năm 1942.