近代化改装後、第二次世界大戦に参加、1940年7月に就役したばかりのカイオ・ドゥイリオは英国艦隊による「タラント空襲」により魚雷一発を受け小破・大浸水したので排水後に曳航されドック入りとなり1941年5月まで修理となった。かわりにアンドレア・ドーリアが穴埋めとして1940年10月に就役し、補充された。大戦初期に地中海方面で英軍補給路の妨害作戦や枢軸軍の船団護衛に従事し、特に本級2隻が同時に参加した作戦として第1次シルテ湾海戦が有名である。1942年2月にマルタ島付近で作戦活動に従事したが、同年の夏ごろにイタリア海軍の燃料事情が悪化したため、本級2隻はタラント港湾に停泊して練習艦任務に就くこととなり、乗員の多くはヴェネト級と護衛艦艇に配属となった。しかし、1943年にイタリア本土が連合軍の攻撃目標となってからは、再び現役に復して移動砲台として活動した。同年9月にイタリアの降伏を受けてタラント港を発ち、9月10日にからマルタ島へ到着した。その後、紆余曲折（ソ連がイタリア戦艦全艦の保有を連合国側に主張したため、処理が長引いた）の末、1944年6月にイタリア海軍籍に復帰し、シチリア島のアウグスタ港にて練習艦任務にあたった。第二次世界大戦後は、イタリア艦隊の主力艦として1947年5月1日から1949年11月まで艦隊旗艦となり、次いでアンドレア・ドーリアが同年12月から1951年3月9日まで旗艦任務を引き継いだ。その間にNATO演習にも参加し、イタリア海軍の健在ぶりを示した。しかし、老朽化には耐えられず2隻とも1956年9月に除籍され、11月にスクラップ処分されて、44年余にわたる長い艦生を終えた。
カブール級と同様に開放式の艦橋構造と三脚式の前檣は、プリエーゼ設計士官の得意とする円筒を重ねたような形状の密閉式艦橋へと更新された。本級の艦橋の構成はヴェネト級の設計を取り入れてより多機能化した。下部から航海艦橋、戦闘艦橋、測距儀塔の上部に二層式の射撃指揮所が設けられた。各区画の側面は装甲で覆われ、対巡洋艦防御が施されていた。7.2m測距儀は上下二段式となっており、上段が測距用、下段が弾着観測用で、データーは測距儀塔上部の射撃指揮所と方位盤室に送られ射撃管制された。艦橋の後方には前檣が置かれ、前級よりも高くなったポール・マストが立つ。副砲用測距儀塔は艦橋と独立してその左右に1基ずつが配置された。頂上部は装甲板でカバーされた5m測距儀、下部は副砲指揮所をもつ装甲司令塔である。前後に離れていた2本煙突も、前述の機関配置の改善により等間隔に配置され、端正な印象となった。煙突の後部から後檣の間のスペースは艦載艇置き場となっているのはカブール級と同じである。後檣は改装前は三脚式であったが、改装後は大きさの異なる円筒を積み重ねたような装甲司令塔となっており、基部に付いた二本のボート・ダビットにより艦載艇は運用される。改装前にあった開放式の後部見張所は後部装甲司令塔の頂上部に移設され、探照灯台が併設された。
船体構造は、カブール級と同じく重量増加により喫水の沈下を防ぐため、艦首構造の外側に新たに艦首構造を接続して全長を伸ばしたが、カブール級で約10m伸びたのに対し本級は10.5m伸ばされた。これにより船体の縦横幅比率は6.03から6.5へと変わり、クリッパー・バウ型艦首への換装に伴い高速を出しやすい船型となった。(ヴェネト級は6.8)船首楼甲板は改装前では1番煙突の後方で終了していたのに対し、改装後では3番主砲塔基部まで延長したことにより、副砲塔・高角砲は波浪の影響を受け難くなった。艦尾部は改装前と変化はないが、戦訓により艦尾にあった単装式の水中魚雷発射管2基は撤去された。
外観デザインは「おだやかで、上品な中にやさしさを持ち、長くお客様に親しまれること」をデザインコンセプトにした。車体はアルミニウム合金製で、01系以来となる大形押出形材を組み合わせた工法で製作されている。外観には千代田線のラインカラーである「グリーン」に、白とパープルの細いラインを組み合わせ、「おだやかで落ちついた感じ」をイメージさせた。前面は約14度の後退角を付け、全体的に丸みを帯びた形状とし、フロントガラスは側面にまで周りこませた曲面ガラスとした。車両側面では屋根を高くし、いわゆる張り上げ屋根タイプとした。先頭車前面下部には排障器（スカート）を装着する。また、地下鉄線内におけるプラグドア式非常口と非常階段が設けられている。全長を20m程度に収めて、さらに運転室を従来車よりも広く確保するために、車内の座席定員配置を6000系の「3・7・7・7・3」ではなく「4・6・7・6・4」とした。そのため、先頭車では4人がけ座席に相当する部分が運転室のスペースとなり、先頭車では全長は20m より7cm だけ長くなった。後年に車両間転落防止幌が設置された。前面と側面の行先表示器はLED式であり、フォントは明朝体である。さらに小田急線内における優等列車での使用のために通過標識灯を設置していたが、1998年（平成10年）4月に同線での使用が停止された。冷房装置は集中式とし、外観では端部にFRP製のカバーを取り付け、丸みを帯びた形状とした。装置は日立製作所製の外気導入形インバータ制御方式（FTUR300-206形）で、能力は48.84 kW (42,000 kcal/h) である。インバータ制御方式とすることで、きめ細かな温度制御や省エネルギー効果を高めている。空調運転モードは「冷房」「暖房」「除湿」「全自動」「送風」があり、全自動では内蔵のカレンダー機能や車内外の気温に応じて、冷房、暖房、除湿から自動選択されるものである。車内の冷房風道はラインフローファン方式を採用し、補助送風機（ラインデリア）は先頭車に9台、中間車に10台を設置している。