Gneisenau thường hoạt động cùng chung với con tàu chị em Scharnhorst, và hai con tàu này bị đặt biệt danh "chị em xấu xí" (ugly sisters) do việc chúng thường hoạt động rình rập chung với nhau, cũng như sự phá hoại mà chúng gây ra cho tàu bè Anh. Vào ngày 9 tháng 9 năm 1939, sáu ngày sau khi chiến tranh được tuyên bố, Gneisenau bị máy bay Không quân Hoàng gia Anh tấn công tại Brunsbüttelkoog nhưng không bị thiệt hại. Vào ngày 8 tháng 10, nó di chuyển cùng với tàu tuần dương Köln và 9 tàu khu trục để nghi binh đối phó lại lực lượng Đồng Minh đang săn lùng thiết giáp hạm bỏ túi Deutschland.

Chiến tranh giả mạo

Cùng với Scharnhorst, Gneisenau đã thực hiến chuyến đi vượt qua eo biển giữa Iceland và quần đảo Faroe kéo dài trong sáu ngày từ 21 đến 27 tháng 11 năm 1939, khi chúng đã đánh chìm tàu buôn tuần dương vũ trang Anh HMS Rawalpindi, cho dù nạn nhân của chúng đã kháng cự kiên cường.[11][12] Thuyền trưởng của Rawalpindi, Đại tá Hải quân, Edward Coverley Kennedy (cha của nhà sử học hải quân Ludovic Kennedy),[13] đã nhìn thấy một tàu chiến lớn vào lúc khoảng 15 giờ 30 phút, mà Kennedy nhận định là chiếc thiết giáp hạm bỏ túi Deutschland. Trông thấy một tàu chiến lớn khác, Kennedy nghĩ rằng đó là một tàu tuần dương hạng nặng của Anh, hy vọng sẽ là vị cứu tinh của Rawalpindi, vì vậy ông đã bỏ qua những phát pháo cảnh báo của Scharnhorst. Không may thay, con tàu được trông thấy lại là Gneisenau, và Kennedy nhận ra đã bị bao vây. Trận chiến sau đó chỉ diễn ra trong vòng 15 phút. Scharnhorst cuối cùng đánh chìm con tàu, làm thiệt mạng 238 người trong đó có Kennedy. Hải đội Đức đã dừng lại để cứu vớt 38 người sống sót trên mặt biển giá lạnh. Các chỉ huy Đức trên cả Gneisenau và Scharnhorst đều tán dương sự dũng cảm của thuyền trưởng và thủy thủ đối phương.[12] Sau đó Gneisenau bị hư hại đáng kể trong một cơn bão.

Chiến dịch Weserübung

Vào tháng 4 năm 1940, Scharnhorst và Gneisenau đã hỗ trợ cho cuộc tấn công chiếm đóng Narvik và Trondheim tại Na Uy, và đã đụng độ với tàu chiến-tuần dương Anh HMS Renown; Gneisenau bị hư hại tháp pháo phía trước và bộ điều khiển hỏa lực trong trận này trước khi hai chiếc tàu chiến Đức rút ra khỏi trận chiến.[14] Ngày 5 tháng 5, nó làm kích nổ một quả thủy lôi từ tính ở khoảng cách 21 m ở phía đuôi mạn trái, bị hư hại do sức ép, làm ngập nước và mất lái trong 18 phút; việc sửa chữa hoàn tất vào ngày 21 tháng 5 tại Kiel. Khi Anh triệt thoái khỏi Na Uy vào ngày 8 tháng 6, nó cùng với Scharnhorst đã bất ngờ tấn công và đánh chìm chiếc tàu sân bay cũ của Anh HMS Glorious cùng hai tàu khu trục theo hộ tống HMS Acasta và Ardent. Trong trận này, Acasta trước khi chìm đã đánh trúng Scharnhorst một quả ngư lôi vào mạn phải ngang với tháp pháo "Caesar" gây ngập nước đáng kể.[15]

Gneisenau trúng phải ngư lôi của HMS Clyde tại Bắc Đại Tây Dương vào tháng 6 và bị buộc phải quay về cảng Trondheim, Na Uy, để sửa chữa.

Thoát ra Đại Tây Dương

Sau những sửa chữa, lại gia nhập cùng Scharnhorst trong chiến dịch đánh cướp tàu buôn thành công nhất của chúng, Chiến dịch Berlin, từ tháng 1 đến tháng 3 năm 1941, khi Gneisenau đánh chìm 14 tàu và Scharnhorst đánh chìm 8, hầu hết là từ những đoàn tàu vận tải không được hộ tống. Chúng né tránh các thiết giáp hạm Anh hoạt động như là tàu hộ tống cho các đoàn tàu vận tải.[16]

Hai con tàu chị em từ Đại Tây Dương quay trở về cảng Brest, Pháp, và bắt đầu chuẩn bị cho đợt hoạt động tiếp theo. Gneisenau đi vào ụ tàu thực hiện những sửa chữa nhỏ. Vào đầu tháng 4 năm 1941, một quả bom không phát nổ, được ném trong các cuộc không kích gần như liên tục của máy bay ném bom thuộc Bộ chỉ huy Ném bom Không quân Hoàng gia nhắm vào các con tàu, đã buộc Gneisenau phải rời khỏi ụ tàu neo đậu trong cảng. Phi đội 22 Không quân Hoàng gia Anh, một đơn vị thuộc Bộ chỉ huy Duyên hải đặt căn cứ tại St. Eval được gửi đến để tấn công Gneisenau. Kết quả là Gneisenau bị trúng ngư lôi vào ngày 6 tháng 4 năm 1941 bởi một chiếc Bristol Beaufort do Trung úy Kenneth Campbell điều khiển. Gneiseau bị hư hại nặng và phải quay trở vào ụ tàu, để lại bị hư hại thêm bởi bốn quả bom ném từ máy bay trong đêm 9-10 tháng 4. Nó được sửa chữa tại Brest cho đến tháng 12 năm 1941.[17][18]

Vượt qua eo biển Anh Quốc

Vào năm 1942, Gneisenau và Scharnhorst, được tháp tùng bởi tàu tuần dương hạng nặng Prinz Eugen và một lực lượng hộ tống gồm tàu khu trục và tàu phóng lôi, đã thực hiện chuyến đi mang mật danh Chiến dịch Cerberus, để băng qua eo biển Anh Quốc ngay giữa ban ngày nhằm quay trở về Đức. Cả ba chiếc tàu chiến hạng nặng đều tránh được thiệt hại trong các cuộc tấn công mãnh liệt từ trên không và mặt biển diễn ra sau đó. Gneisenau và Prinz Eugen đã gây hư hại nặng cho tàu khu trục HMS Worcester. Nhiều loạt đạn của Gneisenau đã phá hủy mạn phải của cầu tàu cùng các phòng nồi hơi số 1 và số 2; Prinz Eugen cũng bắn trúng chiếc tàu khu trục bốn lần, khiến nó bốc cháy. Sau đó Gneisenau trúng phải một quả thủy lôi ngoài khơi Terschelling, Hà Lan, buộc phải được sửa chữa tại Kiel.[19]

Không kích Kiel

Trong khi đang ở trong ụ tàu để sửa chữa những hư hại gây ra bởi mìn, nó trở thành mục tiêu của một cuộc không kích lớn vào ngày 26–27 tháng 2 năm 1942, được thực hiện bởi 178 máy bay ném bom Không quân Hoàng gia Anh, và Gneisenau bị đánh trúng vào mũi tàu. Trái ngược với thực hành thông thường, đạn dược đã không được chất dỡ khỏi tàu khi nằm trong ụ tàu, cho dù công việc sửa chữa không thể hoàn tất trong vòng hai tuần. Đám cháy phát sinh đã gây ra một vụ nổ lớn làm hủy hoại toàn bộ phần mũi tàu. Sau khi được sửa chữa mũi tàu khẩn cấp, Gneisenau di chuyển bằng chính động lực của nó đến Gotenhafen, nơi nó được cho ngừng hoạt động để tái cấu trúc toàn bộ.

Tái cấu trúc – Bỏ xó – Đánh chìm

nhỏ|phải|Xác chiếc Gneisenau tại GdyniaCho dù một số công việc tại xưởng tàu đã được thực hiện từ năm 1942 đến năm 1944 để tái cấu trúc, Gneisenau được rút hoàn toàn khỏi phục vụ vào tháng 7 năm 1943 nhằm cho phép thay thế các khẩu pháo chính 28,3 cm (11,1 inch) của nó bằng các tháp pháo 38 cm (15 inch) SK C/34 nòng đôi. Ngoài ra, người ta còn dự định kéo dài mũi tàu thêm 10 m, với mũi tàu dạng góc nhọn cao gần đến sàn tàu trên và loại bỏ mũi tàu bầu. Thay đổi này là cần thiết nhằm hiệu chỉnh lại mớn nước và kiểu dáng, và do sự thay đổi của dàn vũ khí. Do thêm nhiều trọng lượng được chất lên khi tái cấu trúc, con tàu bị mất đi nhiều phần nổi, và với tải trọng hoạt động trong thời chiến, mép trên của đai giáp chỉ cao hơn 1,2 m đối với mực nước. Việc khảo sát cũng được thực hiện nhằm xem khả năng đưa Gneisenau quay trở lại tầm nước ban đầu bằng cách gia tăng độ rộng mạn thuyền.[20]

Cho dù một số nguồn có đề cập đến việc thay thế dàn pháo hạng hai 15 cm và 10,5 cm của Gneisenau bằng 11 tháp pháo 128 mm nòng đôi kín, điều này có thể đã không được đặt ra.[Ghi chú 2][20] Mọi khẩu pháo cỡ trung có thể đã được giữ lại, chỉ có thành phần và số lượng của vũ khí phòng không 20 mm được tăng cường do nhu cầu của thời chiến.[20]

Sau việc chiếc Scharnhorst bị đánh chìm vào tháng 12 năm 1943, mọi công việc trên chiếc Gneisenau bị hủy bỏ. Nó kết thúc cuộc chiến tranh như một tàu ụ cản, bị đánh chìm tại cảng Gotenhafen vào ngày 23 tháng 3 năm 1945. Nó được người Ba Lan trục vớt và tháo dỡ sau chiến tranh.