Trong Chiến tranh Thế giới thứ nhất, Andrea Doria và Duilio được bổ sung thêm một cặp pháo 76 mm để làm nhiệm vụ phòng không, một khẩu pháo được đặt ở mũi tàu, và khẩu thứ hai được đặt trên nóc của tháp pháo 'X'. Năm 1925, số lượng pháo 76 mm đã được giảm xuống còn 13 khẩu, tất cả đều được đặt trên các nóc tháp pháo chính, và thêm sáu khẩu pháo 76/40 Model 1916 đời mới đã được bổ sung ở phía sau ống khói số 2. Thêm hai tổ hợp pháo phòng không 2-pounder cũng được lắp đặt sau đó. Năm 1926, hệ thống máy định tầm được nâng cấp và một máy phóng thủy phi cơ được lắp đặt ở mạn trái tại mũi tàu để phóng các thủy phi cơ Macchi M.18.[13]

Đầu những năm 1930, mặc dù đã bắt đầu quá trình thiết kế các thiết giáp hạm lớp Littorio mới, Hải quân Hoàng gia Ý vẫn nhận ra rằng họ sẽ không thể hoàn thành kịp các con tàu này trong thời gian cần thiết. Do đó, họ đã quyết định cho hiện đại hóa các thiết giáp hạm cũ của họ như một biện pháp tạm thời nhằm đối phó với lớp thiết giáp hạm Dunkerque mới của Pháp. Hai thiết giáp hạm lớp Conte di Cavours bắt đầu được hiện đại hóa vào năm 1933, và được theo sau bởi hai thiết giáp hạm lớp Duilio vào năm 1937.[14] Việc hiện đại hóa cho Duilio kéo dài tới tháng 7 năm 1940, và Andrea Doria là vào tháng 10 năm 1940. Phần mũi tàu gốc đựoc tháo dỡ và được thay thế bởi mũi tàu mới dài hơn, làm tăng tổng chiều dài của lớp tàu lên 186,9 m (613 ft 2 in). Sườn ngang được mở rộng lên 28,03 m (92 ft 0 in) và làm tăng mức mớn nước lên 10,3 m (33 ft 10 in).[15] Những sự thay đổi này đã khiến mức choán nước của các tàu tăng lên đáng kể, với Andrea Doria đạt 28.882 tấn Anh (29.345 t) và Duilio đạt 29.391 tấn Anh (29.863 t), đều ở mức đầy tải.[11] Biên chế của các tàu cũng tăng lên 1.520 người, bao gồm 70 sĩ quan và 1.450 hạ sĩ quan, thủy thủ cấp thấp.[16]

Hai trục chân vịt đã được dỡ bỏ và động cơ tuabin hơi nước cũ được thay thế bằng hai bộ động cơ tuabin hơi nước hộp số Belluzzo, có thể tạo ra mức công suất 75.000 shp (56.000 kW). Hệ thống nồi hơi Parsons cũng được thay thế bằng tám nồi hơi siêu sôi Yarrow đời mới. Trong những chuyến thử máy sau đó, cả hai tàu đã đạt được tốc độ di chuyển 26,9–27 kn (49,8–50,0 km/h; 31,0–31,1 mph), và đạt được 26 kn (48 km/h; 30 mph) khi được đưa vào hoạt động trong Chiến tranh Thế giới thứ hai. Để phù hợp với cấu hình mới, Andrea Doria và Duilio được cung cấp 2.530 tấn Anh (2.570 t) nhiên liệu, giúp chúng có thể hoạt động được trong phạm vi tối đa là 4.000 hải lý (7.400 km; 4.600 mi) ở tốc độ 18 hải lý trên giờ (33 km/h; 21 mph).[16]

Tháp pháo trung tâm và máy phóng ngư lôi được dỡ bỏ, toàn bộ hệ thống pháo phụ được thay thế hoàn toàn bằng bốn tháp pháo 135 mm (5,3 in) ba nòng, và toàn bộ pháo phòng không được thay thế bởi pháo 90 mm lắp trong các ụ pháo một nòng. Ngoài ra, chúng còn được bổ sung thêm 15 pháo phòng không Breda 37 mm (1,5 in), được chia thành sáu cụm hai nòng và ba cụng một nòng, và 16 pháo phòng không 20 mm (0,8 in) Breda Model 35 được đặt trong các cụm hai nòng. Pháo 305 mm được mở rộng đường kính lên 320 mm và các tháp pháo được nâng cấp để được vận hành bằng điện. Pháo có góc nạp đạn tiêu chuẩn là +12°, nhưng thông số về góc nâng tối đa của pháo đến giờ vẫn còn là một ẩn số. Nhà sử học Michael J. Whitley cho rằng góc nâng tối đa của pháo sau khi được nâng cấp là +27°,[17] trong khi nhà sử học John Campbell cho là +30°.[18] Đạn 320 mm nặng 525 kg (1.157 lb), có tầm bắn tối đa là 28.600 m (31.300 yd) và vận tốc đầu nòng là 830 m/s (2.700 ft/s). Vào đầu năm 1942, các khẩu pháo 20 mm ở phía sau được thay thế bằng các cụm pháo 37 mm nòng đôi và pháo 20 mm được chuyển lên nóc tháp pháo 320 mm 'B', và mô tơ RPC (Rotary Phase Converter - bộ biến đổi pha quay) trong bộ ổn định nòng của pháo 90 mm đã được tháo bỏ do bộ phận này dễ bị hỏng khi dính nước.[19][20] Khu vực thượng tầng phía trước được xây dựng lại với thiết kế đài chỉ huy mới, được bảo vệ bởi lớp giáp dày 260 mm (10,2 in), và hệ thống ống xả khói được bố trí gọn hơn. Đặt bên trên đài chỉ huy là một hệ thống dẫn bắn phức tạp được trang bị ba máy định tầm lớn.[16]

Độ dày lớp giáp sàn tàu được gia cố lên 135 mm (5,3 in) và giáp mặt của các tháp pháo phụ là 120 mm (4,7 in).[16] Hệ thống giáp bảo vệ dưới nước được thay thế bởi hệ thống đai chống ngư lôi Pugliese, về cơ bản là hai xi lanh đồng tâm được bao bọc bởi một lớp nhiên liệu hoặc nước nhằm hấp thụ sức ép của các vụ nổ ngư lôi.[21]

Việc hiện đại hóa này đã bị một số nhà sử học hải quân chỉ trích vì những con tàu này sau cùng vẫn tỏ rõ sự yếu kém trước các thiết giáp hạm lớp Queen Elizabeth của Anh, và chi phí hiện đại hóa tàu cũng không rẻ hơn nhiều so với chi phí đóng một thiết giáp hạm lớp Littorio hoàn toàn mới. Ngoài ra, việc nâng cấp đã khiến nguồn cung thép bị quá tải, tạo ra nhiều sự chậm trễ đáng kể cho quá trình chế tạo các thiết giáp hạm mới hiện đại hơn lúc đó.[22]