Trong Chiến tranh thế giới thứ hai, những chiếc thuộc các lớp Caledon, Ceres và Carlisle đã tiếp tục phục vụ mặc dù đã khá cũ. Calypso đã ngăn chặn con tàu Đức Konsul Hendrik Fisser đang tháo chạy khỏi sự phong tỏa vào năm 1939. Cùng năm đó, Caradoc chặn chiếc tàu chở dầu Đức Emmy Friedrich, vốn đã bị thủy thủ đoàn tự đánh chìm. Một số chiếc đã tham gia Chiến dịch Na Uy năm 1940.

Lớp C cũng được sử dụng rộng rãi tại Địa Trung Hải; trận chiến đáng kể đầu tiên mà lớp tàu này tham dự là khi chiếc Coventry tham gia Trận chiến mũi Spartivento năm 1940. Năm 1941, Calcutta và Carlisle tham gia trận chiến mũi Matapan, trong đó một số tàu chiến Ý đã bị đánh chìm. Tàu tuần dương lớp C còn tham gia trận chiến và cuộc triệt thoái khỏi Crete, phải chịu đựng hỏa lực không kích đáng kể của Không quân Đức. Năm 1942, Carlisle tham gia trận Sirte thứ hai.

Trong những năm 1942-1943, Colombo và Caledon trải qua một đợt tái trang bị, được bổ sung pháo phòng không Bofors 40 mm và Oerlikon 20 mm cho các khẩu pháo nòng đôi. Năm 1943, Carlisle bị máy bay Đức tấn công khiến hư hại nặng, nhưng không bị đánh chìm, cho dù những hư hại này đủ để loại nó ra khỏi cuộc chiến tranh. Năm 1944, Capetown đã hỗ trợ cho cuộc đổ bộ Normandy khi bắn phá các vị trí của quân Đức.

Sáu chiếc thuộc lớp C đã bị mất trong cuộc chiến tranh: Cairo bị đánh chìm vào năm 1942 bởi tàu ngầm Ý Axum trong chiến dịch Pedestal nhằm tiếp tế cho Malta đang bị phong tỏa; Calcutta bị máy bay Đức đánh chìm trong cuộc triệt thoái khỏi đảo Crete; Calypso bị tàu ngầm Ý Bagnolini đánh chìm vào năm 1940; Coventry bị hư hại nặng bởi không kích của máy bay Đức trong khi hỗ trợ một cuộc bắn phá Tobruk vào năm 1942, buộc chiếc HMS Zulu phải đánh đắm nó; Curacoa bị chìm sau khi va chạm với tàu biển chở hành khách RMS Queen Mary vào năm 1942; và Curlew bị máy bay Đức đánh chìm ngoài khơi Narvik trong Chiến dịch Na Uy vào năm 1940.