La nave entrò in servizio il 10 maggio 1915. La cerimonia della consegna della bandiera di combattimento era prevista per il 28 maggio, ma essendo l'Italia entrata in guerra quattro giorni prima, la bandiera, donata da un comitato di donne romane, presieduto dal Principe Prospero Colonna sindaco di Roma, venne consegnata al comandante dell’unità in forma privata. Il cofano per la conservazione della bandiera sarebbe stato consegnato solamente il 14 aprile 1932 nel corso di una solenne cerimonia pubblica in Campidoglio.
Durante il conflitto la nave compì in tutto quattro missioni di guerra per 268 ore di moto, ed esercitazioni per 512 ore di moto, dislocata sempre a Taranto, ad eccezione del periodo tra il 29 novembre 1916 e il 21 gennaio 1917 in cui venne trasferita a Corfù. Dopo la fine della guerra, il 10 novembre 1918, le corazzate "Duilio" Doria e Giulio Cesare raggiunsero per un periodo di esercitazioni Corfù, dove la corazzata "Duilio" vi rimase fino al 26 gennaio 1919 mentre l'Andera Doria vi rimase fino al successivo 19 febbraio. Rientrata in Italia l'unità il 25 aprile si trasferì da Taranto a Smirne, rimanendovi fino al 9 giugno raggiungendo poi a Costantinopoli l'Andrea Doria, passando alle dipendenze della Seconda Divisione Navi da Battaglia che, dal 1° luglio 1919 assunse la denominazione di Squadra del Levante.
La permanenza di unità della Regia Marina in quelle zone fù conseguenza della vittoria degli sugli Imperi Centrali di cui faceva parte l’Impero Ottomano, che venne diviso in zone di occupazione e di influenza, con i vincitori che tendevano a stabilizzare le loro occupazioni territoriali. L’Italia aveva particolare interesse alla zona di Smirne, dove operava il corpo di spedizione italiano. L'unità fece ritorno a Smirne dove il 9 settembre venne avvicendata dal "Giulio Cesare" rientrando il 12 settembre a Taranto dove venne venne messa in riserva per essere successivamente riarmata nel giugno 1920, per essere inviata nelle acque albanesi, dove rimase a tutela degli interessi italiani, fino al settembre successivo.
La presenza di unità navali a Valona era dovuto alle clausole del Patto di Londra firmato il 26 aprile 1915 secondo le quali per l’intervento a fianco della Triplice Intesa, l’Italia a guerra finita, avrebbe dovuto avere Valona, con il suo entroterra, e l’isola di Saseno. Tuttavia nei primi mesi del 1920 con l'affermarsi in Albania di un movimento indipendentista che chiedeva l’amministrazione delle località occupate dagli italiani, la situazione si deteriorò fino a sfociare in un'aperta rivolta e a luglio il governo Giolitti, per evitare un scontro militare fece un'accordo con gli indipendentisti albanesi in base al quale all’Italia restava solamente l'isola di Saseno.
Sul finire dell’anno l'unità prese parte nel blocco di Fiume, e nel bombardamento della città, nei giorni che sarebbero passati alla storia come Natale di sangue. Nel corso del bombardamento della città.
Nel 1921 il "Caio Duilio" prima fu sede del Comando Navale del Dodecaneso per poi fare ritorno fino alla fine dell’anno a Costantinopoli alle dipendenze della Squadra del Levante e svolgere l'anno successivo una notevole attività addestrativa. ll 19 marzo 1937 la nave lasciò Taranto per raggiungere Genova dove, il primo Aprile venne avviata ai lavori di ricostruzione che vennero svolti presso i Cantieri del Tirreno.
Il progetto, che seguì la falsariga di quelli per la ricostruzione delle precedenti Cavour, risentì della concomitante costruzione delle Littorio.
La nave venne modificata nella pianta dello scafo, con inserimento di una sezione aggiuntiva di 10 metri di lunghezza, nella sovrastruttura che venne concentrata a mezza nave e nell'apparato motore che venne potenziato di più del 250% oltre che nell'armamento. Rientrata in servizio il 15 luglio 1940 la nave venne inquadrata nella Vª Divisione Corazzate ed ebbe il suo primo impegno bellico nell'Operazione Hats. Durante l'attacco inglese alla base di Taranto dell'11 novembre 1940 venne gravemente danneggiata. La nave venne colpita intorno alla mezzanotte da un siluro lanciato da circa 400 metri. L'esplosione causò uno squarcio di circa 11 x 7 metri vicino il deposito munizioni di prora. Nell'esplosione tre componenti dell'equipaggio persero la vita. Alle 4.45 del mattino del 12 novembre, la nave venne portata, ad incagliare in acque basse per evitarne l'affondamento e durante il periodo novembre-gennaio partecipò attivamente alla difesa contraerea della piazzaforte. Nel gennaio del 1941 venne riportata a galla e il 26 gennaio lasciò Taranto e due giorni dopo raggiunse Genova entrando in bacino il 3 febbraio. La nave, sottoposta alle necessarie riparazioni, il 3 maggio 1941 rientrò a Taranto riprendendo servizio nel luglio successivo. Dopo il rientro in servizio la nave venne utilizzata principalmente come scorta pesante dei convogli italiani diretti verso la Libia. Nel dicembre 1941, con a bordo l'ammiraglio Bergamini, partecipò alla prima battaglia della Sirte e dal 3 al 5 gennaio 1942 partecipò all’operazione M43 che aveva la finalità di far giungere contemporaneamente in Libia tre convogli, sotto la protezione diretta ed indiretta della maggior parte delle forze navali, in quella che fu l'ultima missione operativa del Giulio Cesare. Nell'occasione il "Caio Duilio" faceva parte della scorta indiretta. Dopo un'altra missione di scorta svolta tra il 21 e il 24 febbraioper tutto il resto del 1942 l'unità effettuò uscite in mare unicamente per esercitazioni e venne dislocata fra le basi di Taranto e Messina, mentre nel 1943 rimase ferma a Taranto, partecipando alla difesa antiaerea della base.
Dopo l'armistizio dell'8 settembre 1943 raggiunse Malta con il resto della squadra navale consegnandosi agli alleati secondo quelle che erano le clausole armistiziali. La nave faceva parte del gruppo partito da Taranto insieme costituito dalle Duilio, dal Pompeo Magno e dal Cadorna. Il gruppo, guidato dall'ammiraglio Da Zara, venne raggiunto dal gruppo proveniente da La Spezia, il cui comando dopo il tragico affondamento della nave da battaglia Roma era stato assunto dall'ammiraglio Oliva.
La corazzata "Caio Duilio", dislocata a Taranto, dal 1946 al 1953, è stata, dal 1° maggio 1947 al 10 novembre 1949, sede del Comando della Squadra Navale.
Nel 1953 l'unità venne trasferita a La Spezia e il 15 settembre 1956 venne ritirata dal servizio messa in disarmo e radiata per essere successivamente demolita tra il 1957 e il 1961.
