Khi được đưa ra hoạt động vào tháng 6 năm 1912, Thunderer cùng với các tàu chị em Orion, Monarch và Conqueror hình thành nên Đội 2 của Hải đội Chiến trận 2. Hoạt động trước chiến tranh của chúng tiêu biểu cho mọi tàu chiến chủ lực của hạm đội Anh vào lúc đó, bao gồm các cuộc cơ động hạm đội và thực hành chiến trận. Nó được tái trang bị vào tháng 12 năm 1914.

Trong trận Jutland vào ngày 31 tháng 5 năm 1916, cả bốn chiếc trong lớp Orion đều hiện diện dưới sự chỉ huy của Chuẩn đô đốc Arthur Leveson, đặt cờ hiệu của mình trên chiếc Orion; chỉ huy của Thunderer là Hạm trưởng Đại tá Hải quân J.A. Fergusson. Nó nhìn thấy các tàu chiến Đức lần đầu tiên lúc 18 giờ 30 phút ở khoảng cách 22.000–18.000 yd (20–16 km), nhưng vì là chiếc cuối cùng trong hàng của Đội 2 và tầm nhìn bị che khuất bởi khói của ba con tàu chị em đi trước, nó đã không thể nổ súng. Đến 19 giờ 15 phút, nó nhìn thấy hai thiết giáp hạm đối phương qua khoảng trống giữa hai chiếc Royal Oak và Iron Duke, và đã bắn hai loạt đạn pháo xuyên thép (CAP) nhằm vào chiếc dẫn đầu nhưng đều trượt. Đó là lần cuối cùng Thunderer nhìn thấy đối phương. Khi Hạm đội Biển khơi Đức tách ra khỏi trận chiến và rút lui về phía Nam, tàu chiến-tuần dương Moltke trông thấy bốn tàu chiến lớn của đối phương lúc 22 giờ 40 phút; đó chính là bốn chiếc thuộc lớp Orion, và con tàu Đức đã may mắn thoát đi vì các trinh sát viên Anh không nhìn thấy nó.

Trong suốt trận chiến Thunderer chỉ bắn ra tổng cộng 37 quả đạn pháo xuyên thép 13,5 inch, và giống như các tàu chị em, nó không sử dụng đến dàn pháo hạng hai và cũng không bị thiệt hại gì. Sau trận này Hạm đội Biển khơi Đức rất ít khi xuất hiện tại Bắc Hải nên nó chỉ hoạt động thuần túy trong nhiệm vụ tuần tra và càn quét. Vào năm 1917 Thunderer được bổ sung các bệ phóng máy bay trên nóc các tháp pháo "B" và "X". Sau chiến tranh nó hoạt động như một tàu huấn luyện học viên sĩ quan từ năm 1921, và với vai trò này nó là chiếc duy nhất còn lại trong lớp khi các tàu chị em phải tháo dỡ hay đánh chìm theo những điều khoản mà Hiệp ước Hải quân Washington quy định. Cuối cùng vào tháng 11 năm 1926 nó cũng bị bán để tháo dỡ tại Rosyth.