7月10日の朝、偵察機を護衛するドイツ戦闘機Bf 109Eと、これを迎撃に向かったイギリス戦闘機スピットファイアとの空戦がバトル・オブ・ブリテンの始まりと言われている。同日の午後にはドーバー海峡付近を航行するイギリスの船団を巡って空戦が行われた。翌11日にドイツ空軍の攻撃隊が30から50機ほどでイギリス南東部の港湾に襲来し、12日にはイギリス海峡を航行する船団を攻撃した。降伏勧告に近い和平案に対し回答を伸ばすことでイギリスは時間を稼いだ。その間、イギリス特有の悪天候で、港湾や船団へのドイツ空軍の攻撃は低調に終わった。しかし、7月16日にヒトラーはイギリス本土上陸作戦の準備を命じ、22日に行われたイギリスの国会演説で和平案が拒否されると、ドイツ空軍は海上封鎖に本腰を入れ、25日のイギリス海軍駆逐艦の護衛する輸送船団への攻撃では、10隻近い艦船が被害を受け、イギリスは夜間を除いて船団の海峡通行を禁止した。ドイツ空軍の艦船攻撃は戦闘機と爆撃機のみで行われ、爆撃機を改修して航空魚雷を搭載させることはあっても本格的な雷撃機は保有していなかった。連日のようにイギリスの船団が攻撃を受けていたにも拘らず比較的少ない被害で済んだのは、ドイツ空軍が雷撃機の開発を怠っていたことに起因するという見方もある。一方でイギリス空軍はレーダー網である防空ダウディング・システムをフルに活用して港湾の上空で迎撃し、基本的に待ち伏せをした。実際、ドイツ空軍と英空軍の7月中に行われた空戦の損失割合は概ね2対1で、ドイツ空軍には爆撃機や偵察機が多数含まれたが、英空軍の戦闘機軍団は善戦した。
西方電撃戦が開始されてからドイツ空軍は陸軍の支援とフランス空軍を殲滅しながら、イギリス本土に散発的な航空攻撃をしていた。しかし、ドイツ本土からでは航続距離の関係から護衛に戦闘機を随伴できないため、夜間空襲のみで、夜間では地上目標の確認が困難なため、効果的な空襲ができなかった。イギリスの戦闘機も軽爆撃機ブレニムを改造しレーダーを搭載した急造夜間戦闘機があったものの旧式で、ドイツの爆撃機に振り切られることが多かった。爆撃機をサーチライトで照射し昼間戦闘機のハリケーンで撃墜させる方法もあったがサーチライトが少なく、夜間に対抗できるのは高射砲のみで十分ではなかった。1940年6月25日にフランスと休戦条約を締結、ドイツ軍はフランス北部沿岸と西部沿岸一帯を占領、旧フランス軍空軍基地を対英前進基地として使用可能になった。
上述の通り、イギリスは指揮系統や統合防空態勢においてかなりの備えをしていた。世界最高のレーダー、観測所、空襲警報、地域指揮所、航空交通管制はすべて、分散されながらもネットワーク化され、すべての情報がダウディングの戦闘集団の各指揮所に届けられるようになっていた。1930年代からイギリス政府は覚悟を決めて構えており、ムッソリーニ政権下のイタリア王国やナチス政権下のドイツに対しミュンヘン会談などの宥和政策を打ち出していたネヴィル・チェンバレンですら、防空予算は出し惜しみしなかった。そして、1940年には世界最高の防空体制が整っていた。
80cm列車砲はマジノ線の攻略用に開発されたものだが、1940年に行われたフランス戦には完成が間に合っておらず、仮にマジノ線への総攻撃が行われていたとしても実戦投入の機会はなかったことになる。同年10月に実施が計画されていたジブラルタル攻撃（フェリックス作戦）に際して投入が予定されていたが、やはりこの時点でも未完成であった。1941年にはようやく1番砲が完成し、同年9月、マグデブルグ北東のヒラースレーベン(Hillersleben)近郊の実験場にて最初の試射が行われた。その後、砲はポメラニアのリューゲンヴァルデ（Rügenwalde：現在のポーランド領ダルウォボ）の射撃試験場に移送され、試射と運用訓練が行われた。1942年1月、運用部隊として部隊長ベーム(R. Böhm)大佐の下に第672重砲兵隊(E)が編成され、同年2月には1番砲“グスタフ”をセヴァストポリ要塞攻囲戦に投入することが決定されたため、第672重砲兵隊(E)は拡大再編成されて出撃した。分解された機材は3月初旬から搬出を開始し、同月下旬より順次現地に到着し、4月中には運用のための専用線他の構築が完了、5月には砲の据え付けを開始、6月5日には発射準備が整った。6月6日には10mのコンクリートに防護された地下30mの海底弾薬庫に命中させてこれを破壊、6月17日にはマキシム・ゴーリキー砲台の30.5cm砲塔に命中弾を与えている。この一連の戦いにおいてグスタフは48発を発射し、攻囲戦の後に旋条の摩耗により寿命の尽きた砲身を交換、その後レニングラード包囲戦に参加するためレニングラードの郊外に移動、1943年まで待機状態でその地に駐留した。2番砲“ドーラ”は1942年に入って完成し、1942年8月中旬にスターリングラード攻防戦に参加するためにスターリングラード郊外に展開し、同年9月13日には発射準備体制を完了させたが、同年11月には戦況の急変に伴い撤収している。以後、グスタフ、ドーラ共に重砲兵部隊の展開が行われた作戦の度に投入が検討されたが、移動と展開、そして射撃準備に膨大な人員と資材、そして週単位の時間が必要なことから、計画される度に中止され、戦争後半になるとドイツ軍が制空権を失ったことから、移動することすらままならなくなっていった。1944年のワルシャワ蜂起鎮圧にもカール自走臼砲と共に投入が計画され、出動準備の段階まで移行していたが、最終的には投入はされていない。グスタフ・ドーラ共に1945年4月には連合国軍に鹵獲されることを避けるために爆破処分され、グスタフの残骸はケムニッツの近郊でソビエト軍に、ドーラの残骸はニュルンベルク近郊でアメリカ軍によって発見・回収されたが、回収された残骸のその後の行方はわかっていない。なお、3基目（3両目）は砲口径を52cmに減少させた代わりに砲身長を43mにまで増加した長砲身型（口径長82.7）に変更される予定だった。この砲は通常の砲弾だけではなく、弾体にロケットモーターを内蔵したロケット補助推進弾を発射可能で、発射重量680kgの弾体を最大射程190kmの距離に投射することができるとされていた。しかし3番砲は完成せず、砲の一部だけが戦後エッセンのクルップ工場で発見されている。