Andrea Doria và Duilio được hoàn thành không lâu sau khi Ý gia nhập phe Hiệp ước và tham gia vào Chiến tranh Thế giới thứ nhất. Đô đốc Paolo Thaon di Revel, tham mưu trưởng Hải quân Ý, tin rằng tàu ngầm và tàu rải mìn của Áo-Hung - đối thủ hải quân chính của Ý, có thể hoạt động hiệu quả ở vùng biển nông Adriatic.[29] Những mối đe dọa lớn này, đặc biệt đối với tàu chủ lực của Ý, được Revel coi là rất nghiêm trọng, đến mức ông không dám sử dụng hạm đội của ông một cách chủ động. Thay vào đó, Revel đã cho phong tỏa ở vùng biển phía nam Adriatic bằng một hạm đội lớn, trong khi các đơn vị tàu cỡ nhỏ hơn như tàu phóng lôi MAS, sẽ tiến hành các cuộc đột kích vào hạm đội và cơ sở vật chất của Hải quân Áo-Hung.[29] Trong khi đó, các thiết giáp hạm của Revel sẽ được giữ lại để chuẩn bị đối đầu với hạm đội Áo-Hung trong một trận đánh quyết định.[30] Do vậy, cả hai tàu đều không có cơ hội tham gia vào bất kỳ trận đánh nào, vì Hải quân Áo-Hung đã không cho phần lớn tàu của họ rời cảng trong suốt cuộc chiến.[19]

Sau chiến tranh, Andrea Doria và Duilio đã tiến hành nhiều chuyến hải trình ở phía đông Địa Trung Hải, và tham gia vào nhiều cuộc tranh chấp hậu chiến về quyền kiểm soát các thành phố khác nhau. Duilio được cử đến uy hiếp İzmir vào tháng 4 năm 1919, và Andrea Doria đã giúp ngăn chặn và trấn áp việc đánh chiếm Fiume của tướng Gabriele D'Annunzio vào tháng 11 năm 1920. Duilio được lệnh hoạt động tại Biển Đen sau vụ İzmir cho đến khi nó được tiếp quản bởi thiết giáp hạm Giulio Cesare vào năm 1920. Năm 1923, Andrea Doria và Duilio được điều động đến đảo Corfu để hỗ trợ cuộc tranh chấp lãnh thổ giữa Ý và Hy Lạp. Tháng 1 năm 1925, Andrea Doria đến thăm thành phố Lisbon, Bồ Đào Nha, với vai trò là đại diện của nước Ý trong lễ kỷ niệm 400 năm ngày mất của nhà thám hiểm Vasco da Gama. Andrea Doria và Duilio tiếp tục thực hiện các chuyến hải trình trong thời bình và các chuyến thăm thiện chí trong suốt những năm 1920 và đầu những năm 1930, tới khi cả hai đều được đưa vào lực lượng dự bị vào năm 1933.[31]

Vào cuối những năm 1930, Hải quân Hoàng gia Ý quyết định cho hiện đại hóa Andrea Doria và Duilio, với Andrea Doria được hoàn thành vào tháng 10 năm 1940 và Duilio hoàn thành vào tháng 4 năm 1940. Tính đến thời điểm đó, nước Ý đã tham gia vào Chiến tranh Thế giới thứ hai với vai trò là một thành viên của Khối Trục, và hai tàu được biên chế vào Hải đoàn 5 ở Taranto. Duilio sau đó tham gia vào một chiến dịch săn lùng thiết giáp hạm Valiant và đoàn vận tải của Anh tới Malta, nhưng không thành công. Đêm ngày 11 sáng 12 tháng 11 năm 1940, Andrea Doria và Duilio cùng các tàu chiến khác bị 21 máy bay phóng lôi Fairey Swordfish cất cánh từ hàng không mẫu hạm Illustrious tấn công khi đang neo đậu tại Taranto. Andrea Doria sống sót qua trận không kích mà không chịu bất kỳ hư hại nào, trong khi đó Duilio bị trúng một quả ngư lôi vào mạn phải tàu, buộc thủy thủ đoàn phải cho ủi tàu lên bờ để tránh bị chìm trong cảng. Duilio được đưa về Genoa và quá trình sửa chữa bắt đầu tại đó vào tháng 1 năm 1941.[32][33] Vào tháng 2, Genoa bị các tàu chiến Anh thuộc Lực lượng H pháo kích; dù gây ra nhiều thiệt hại cho cơ sở hạ tầng và tàu chiến Ý trong khu vực, nhưng Duilio vẫn bình an vô sự.[34] Việc sửa chữa kết thúc vào tháng 5 năm 1941, và Duilio quay trở lại Taranto để gia nhập hạm đội.[35]

Trong thời gian Duilio được sửa chữa, Andrea Doria đã tiến hành nhiều chiến dịch đánh chặn quy mô nhằm vào các đoàn vận tải Anh đi qua Địa Trung Hải. Vào cuối năm 1941, Andrea Doria và Duilio được cử làm nhiệm vụ hộ tống các đoàn vận tải từ Ý tới Bắc Phi để tiếp tế các đơn vị Ý và Đức đang chiến đấu tại đó. Các nhiệm vụ hộ tống này bao gồm Chiến dịch M41 vào ngày 13 tháng 12 và Chiến dịch M42 từ ngày 17 tới ngày 19 tháng 12. Trong ngày đầu tiên của Chiến dịch M42, Andrea Doria và thiết giáp hạm Giulio Cesare đã bắt gặp và nghênh chiến một hạm đội tuần dương hạm và khu trục hạm của Anh tại Vịnh Sirte. Trận chiến kết thúc bất phân thắng bại do cả hai bên đều cho ngừng tấn công và truy đuổi lẫn nhau.[32] Nhiệm vụ hộ tống đoàn vận tải tiếp tục được thực hiện tới khi được hạn chế vào đầu năm 1942, do Hải quân Hoàng gia Ý gặp phải vấn đề thiếu hụt nhiên liệu vận hành tàu một cách trầm trọng, và phần lớn hạm độ Ý được giữ lại trong các cảng trong suốt hai năm tiếp theo. Ngày 14 tháng 2, Duilio cùng hai tuần dương hạm và bảy khu trục hạm xuất kích đánh chặn đoàn vận tải MW 9 khởi hành từ Alexandria đến Malta của Anh, nhưng sau một hồi tìm kiếm hạm đội Anh không thành, tàu chiến Ý được lệnh rút về cảng. Sau khi nhận được tin về sự hiện diện của Duilio, người Anh đã cho đánh đắm tàu vận tải Rowallan Castle, trước đó đã bị máy bay Đức tấn công và làm vô hiệu hóa.[36]

Sau khi Ý đầu hàng Đồng Minh vào tháng 9 năm 1943, Andrea Doria và Duilio, cùng phần lớn các tàu chủ lực khác của Ý, được lệnh khởi hành về Malta để đầu hàng người Anh. Hai tàu được giữ lại tại đó tới năm 1944, trước khi được phe Đồng Minh cho phép quay trở về Ý; Andrea Doria quay về Syracuse, Sicily, và Duilio trở về Taranto, trước khi tiếp tục tiến về Syracuse để hội quân với Andrea Doria. Sau khi chiến tranh kết thúc, người Ý được phép giữ lại cả hai con tàu trong biên chế, và chúng tiếp tục vai trò soái hạm của hạm đội tới năm 1953, thời điểm chúng được cho ngừng hoạt động. Andrea Doria được sử dụng làm tàu huấn luyện tác xạ, trong khi đó Duilio được đưa vào hạm đội trừ bị. Tháng 9 năm 1956, cả hai tàu được xóa tên khỏi danh sách đăng bạ hải quân và được đem đi tháo dỡ trong những năm tiếp theo.[37]