Những chiếc trong lớp Helgoland đã hoạt động cùng nhau như một đơn vị của Hạm đội Biển khơi Đức; chúng đã phục vụ như là Đội 1 trực thuộc Hải đội Chiến trận 1. Chúng đã tham gia nhiều hoạt động của Hạm đội tại Bắc Hải, bao gồm cuộc xuất quân vào ngày 31 tháng 5 năm 1916 vốn đã đưa đến Trận Jutland. Các con tàu cũng đã tham gia tác chiến một cách hạn chế tại biển Baltic, chủ yếu là trong Trận chiến vịnh Riga bị bỏ dỡ vào tháng 8 năm 1915.

Bắn phá Scarborough, Hartlepool và Whitby

Hoạt động lớn đầu tiên trong Chiến tranh Thế giới thứ nhất mà lớp Helgoland tham gia là cuộc Bắn phá Scarborough, Hartlepool và Whitby vào ngày 15–16 tháng 12 năm 1914. Cuộc bắn phá được tiến hành chủ yếu bởi các tàu chiến-tuần dương thuộc Đội Tuần tiễu 1 của Phó Đô đốc Franz von Hipper. Những chiếc trong lớp Helgoland cùng với các lớp Nassau, Kaiser và König lên đường để hỗ trợ từ xa. Friedrich von Ingenohl, Tư lệnh Hạm đội Biển khơi Đức, quyết định chiếm lấy vị trí ở khoảng giữa Bắc Hải, cách 130 hải lý về phía Đông Scarborough.[13]

Hải quân Hoàng gia Anh, trước đó đã bắt được các bảng mật mã Đức từ chiếc tàu tuần dương Magdeburg bị mắc cạn, nhận biết một chiến dịch đang được tiến hành, nhưng không biết chắc nơi lực lượng Đức sẽ tấn công. Vì vậy, Bộ hải quân Anh ra lệnh cho Hải đội Tàu chiến-tuần dương 1 dưới quyền Đô đốc David Beatty, sáu thiết giáp hạm thuộc Hải đội Chiến trận 2 cùng nhiều tàu tuần dương và tàu khu trục ngăn chặn các tàu chiến-tuần dương Đức.[13] Tuy nhiên, hướng di chuyển lực lượng của Beatty hầu như đâm đầu thẳng vào toàn bộ Hạm đội Biển khơi. Lúc 6 giờ 20 phút, các tàu khu trục hộ tống cho lực lượng của Beatty bắt gặp xuồng phóng lôi Đức V155. Việc này đã dẫn đến một cuộc đối đầu lẫn lộn kéo dài hai giờ giữa các tàu khu trục Anh và lực lượng tàu tuần dương và tàu khu trục Đức, hầu hết ở khoảng cách rất gần. Vào lúc này của cuộc chạn trán đầu tiên, các thiết giáp hạm lớp Helgoland ở một vị trí cách các thiết giáp hạm dreadnought Anh không đầy 10 hải lý (19 km), hoàn toàn nằm trong tầm bắn; nhưng trong bóng đêm, các đô đốc của cả Anh lẫn Đức đều không thể nhận biết thành phần của hạm đội đối phương. Đô đốc Ingenohl, không dám bất tuân chỉ thị của Kaiser (Hoàng đế Đức) rằng không được mạo hiểm hạm đội chiến trận khi không có sự chấp thuận rõ ràng, kết luận rằng hạm đội của ông đang phải đối đầu với lực lượng hộ tống của toàn bộ Hạm đội Grand Anh Quốc, và 10 phút sau khi bắt gặp đối phương, ông ra lệnh bẻ lái sang mạn phải theo hướng Đông Nam. Các cuộc tấn công tiếp nối đã làm chậm trễ việc đổi hướng, nhưng đến 6 giờ 42 phút, nó được tiến hành.[14] Trong khoảng 40 phút, hai hạm đội di chuyển theo một hướng song song; và đến 7 giờ 20 phút, Ingenohl ra lệnh bẻ lái hơn nữa sang mạn phải, đưa các con tàu của mình theo một hành trình quay về vùng biển Đức.[15]

Nhiều người trong Hải quân Đức đã giận dữ đối với sự nhút nhát của Ingenohl, và uy tín của ông bị ảnh hưởng nghiêm trọng. Đại Đô đốc (Großadmiral) Alfred von Tirpitz lưu ý rằng "Vào ngày 16 tháng 12, số phận của nước Đức đã nằm trong lòng bàn tay của Ingenohl. Cảm xúc của tôi trào dâng mỗi khi nghĩ đến điều đó".[16] Thuyền trưởng của chiếc tàu chiến-tuần dương Moltke thậm chí còn gay gắt hơn; ông cho rằng Ingenohl đã rút lui "vì ông lo sợ mười một chiếc tàu khu trục Anh vốn có thể loại bỏ dễ dàng... Dưới sự lãnh đạo hiện thời chúng ta sẽ chẳng đạt được gì."[16]

Những chiếc trong lớp Helgoland còn xuất quân để hỗ trợ các tàu chiến-tuần dương Đức trong Trận Dogger Bank, nhưng đã không đụng độ với lực lượng Anh.[17]

Trận chiến vịnh Riga

Vào ngày 3 tháng 8 năm 1915, nhiều đơn vị hạng nặng của Hạm đội Biển khơi được chuyển sang khu vực Baltic để tham gia vào một cuộc xâm nhập vào vịnh Riga. Kế hoạch của Đức dự định đánh đuổi hoặc tiêu diệt lực lượng Hải quân Nga trong vịnh, bao gồm chiếc thiết giáp hạm tiền-dreadnought Slava, rồi sử dụng tàu rải mìn Deutschland để rải một loạt các bãi mìn ở eo biển Moon, lối ra vào phía Bắc của vịnh. Hạm đội được tập trung để tấn công, dưới quyền chỉ huy của Phó Đô đốc Hipper, bao gồm bốn thiết giáp hạm lớp Nassau và bốn chiếc lớp Helgoland, các tàu chiến-tuần dương Seydlitz, Moltke và Von der Tann cùng một số tàu chiến nhỏ khác.[18] Tuy nhiên, bốn chiếc lớp Helgoland không tham gia vào trận chiến thực sự. Trong suốt chiến dịch, các con tàu được bố trí bên ngoài vịnh nhằm ngăn chặn lực lượng Nga tăng cường có thể ngăn trở việc rải mìn.[19]

Bãi mìn của chính người Nga lớn hơn so với dự định, nên việc quét sạch chúng mất nhiều thời gian hơn so với kế hoạch của Đức. Sự chậm trễ này còn kéo dài hơn do sự kháng cự quyết liệt của Hải quân Nga; Deutschland cuối cùng không thể rải mìn của chính nó. Các báo cáo về hoạt động tàu ngầm của Đồng Minh trong khu vực đã buộc lực lượng hải quân Đức phải rút lui vào sáng ngày 20 tháng 8.[20] Thực vậy, tàu chiến-tuần dương Moltke đã trúng phải ngư lôi phóng từ tàu ngầm Anh E1 vào ngày hôm trước, cho dù chỉ bị hư hại nhẹ.[21]

Trận Jutland

Những chiếc trong lớp Helgoland đã tham gia Trận Jutland bất phân thắng bại vào ngày 31 tháng 5–1 tháng 6 năm 1916. Trong hầu hết thời gian của trận chiến, Hải đội Thiết giáp 1 hình thành nên phần trung tâm của hàng chiến trận, phía sau Hải đội Thiết giáp III dưới quyền Chuẩn Đô đốc Behncke, và được nối gót bởi các thiết giáp hạm tiền-dreadnought già cỗi thuộc Hải đội Thiết giáp II của Chuẩn Đô đốc Mauve. Ostfriesland đã phục vụ như là soái hạm của Đội 1 dưới quyền chỉ huy của Phó Đô đốc E. Schmidt.[22]

Lớp Helgoland bắt đầu trực tiếp tác chiến lúc 19 giờ 20 phút trong ngày đầu của trận chiến. Ostfriesland, Helgoland và Thüringen đã khai hỏa vào Warspite, vốn đang cùng với các chiếc khác thuộc lớp thiết giáp hạm Queen Elizabeth của Hải đội Chiến trận 5 truy đuổi lực lượng tàu chiến-tuần dương Đức.[23] Ngoại trừ Ostfriesland, việc bắn pháo chỉ kéo dài bốn phút, vì hàng chiến trận Đức đang trong quá trình bẻ lái về hướng Đông Đông Bắc, nên các con tàu nhanh chóng mất dấu các thiết giáp hạm Anh. Thüringen và Helgoland chỉ bắn khoảng 20 quả đạn pháo trước khi mất dấu mục tiêu.[24] Tuy nhiên Ostfriesland tiếp tục nhìn thấy đối thủ cho đến 19 giờ 45 phút, lúc nó cũng ngừng bắn.[25] Đến 20 giờ 15 phút, sau cú "đổi hướng chiến trận" (Gefechtskehrtwendung) [Ghi chú 5] lần thứ ba, Helgoland bị một quả đạn pháo 15 in (38 cm) bắn trúng phần phía trước của con tàu. Phát đạn nổ xé toang một khoảng 20 foot (6,1 m) trên lườn tàu và rải một cơn mưa mảnh đạn xuống tháp pháo 5,9 inch đầu tiên bên mạn phải; con tàu bị ngập khoảng 80 tấn nước.[26]

Khoảng nữa đêm ngày 1 tháng 6, những chiếc thuộc lớp Helgoland và Nassau ở trung tâm đội hình của hàng chiến trận Đức đã bắt gặp Chi hạm đội Khu trục 4 Anh Quốc. Một trận chiến đêm lộn xộn diễn ra, trong đó thiết giáp hạm Nassau húc phải tàu khu trục Anh Spitfire. Chi hạm đội 4 tạm thời rút lui khỏi trận chiến để tái lập đội hình, rồi đến khoảng 01 giờ 00 lại vô tình đối đầu với những chiếc dreadnought Đức lần thứ hai.[27] Oldenburg và Helgoland nổ súng vào hai tàu khu trục Anh dẫn đầu đội hình, nhưng một quả đạn pháo Anh đã phá hủy đèn pha phía trước của Oldenburg. Một cơn mưa mảnh đạn rải xuống cầu tàu làm bị thương chỉ huy con tàu, Đại tá Hải quân Hopfner, và giết chết người chỉ huy thứ hai, Trung tá Hải quân Rabius, cùng một số người khác trên cầu tàu, kể cả người lái tàu. Oldenburg tạm thời mất điều khiển; có nguy cơ húc phải tàu phía trước hoặc phía sau trong hàng. Bất kể đang bị thương, Hopfner đích thân bẻ lái tàu, đưa nó trở lại hàng.[28]

Không lâu sau 01 giờ 00, Thüringen và Nassau đụng độ với tàu tuần dương bọc thép Anh Black Prince. Thüringen khai hỏa trước tiên, phá hủy Black Prince với tổng cộng 27 quả đạn pháo hạng nặng và 24 quả đạn pháo hạng hai. Nassau và Ostfriesland tham gia sau đó, rồi được nối gót bởi Friedrich der Große.[29]

Black Prince trình bày một cảnh tượng khủng khiếp và kinh hãi khi nó bùng cháy dữ dội, và sau nhiều vụ nổ nhỏ, nó biến mất dưới làn nước cùng toàn bộ thủy thủ đoàn sau một tiếng nổ lớn.[29]

Vào lúc này, hầu hết Chi hạm đội Khu trục 4 bị tiêu diệt. Một số ít còn lại bị hư hại nặng và phân tán, không thể tiếp tục tham gia trận chiến.[30]

Sau khi quay trở về vùng biển nhà, Helgoland và Thüringen cùng với các chiếc Nassau, Posen và Westfalen thuộc lớp Nassau chiếm lấy những vị trí phòng thủ tại vũng biển Jadebusen trong đêm.[31] Trong trận chiến, lớp Helgoland chỉ chịu đựng những hư hại nhẹ. Helgoland bị bắn trúng một quả đạn pháo 15 inch, nhưng chỉ bị hư hại nhẹ. Oldenburg trúng một phát đạn pháo hạng hai khiến 8 người thiệt mạng và 14 người bị thương. Ostfriesland và Thüringen thoát ra khỏi trận chiến mà không bị hư hại, mặc dù trên đường quay về vùng biển nhà, Ostfriesland trúng phải một quả thủy lôi và phải được sửa chữa tại Wilhelmshaven.[31]

Sau chiến tranh

Những chiếc trong lớp không còn tham gia hoạt động nào đáng kể trong cuộc chiến, và được chuyển cho các nước Đồng Minh như những chiến lợi phẩm theo những điều khoản của Hiệp ước Versailles.[17] Cả bốn chiếc được rút khỏi Đang bạ Hải quân Đức vào ngày 5 tháng 11 năm 1919. Helgoland được chuyển cho Anh Quốc và bị tháo dỡ vào năm 1921 tại Morecambe; biểu trưng trước mũi tàu của nó được giữ lại, và cuối cùng được trao trả về Đức; nó hiện đang được lưu giữ tại Bảo tàng Lịch sử Quân sự Liên bang tại Dresden. Oldenburg được giao cho Nhật Bản, nhưng họ không muốn giữ con tàu; thay vào đó, họ bán nó cho một hãng tháo dỡ của Anh, và được tháo dỡ tại Dordrecht vào năm 1921.[3] Thüringen bị Pháp chiếm; con tàu suýt bị thủy thủ của nó đánh đắm đang khi trên đường đi đến Cherbourg vào năm 1920. Nó được sử dụng như một tàu mục tiêu cho đến khi nó bị mắc cạn vào năm 1923 tại Gavres. Nó được tháo dỡ tại chỗ, nhưng một phần lớn lườn tàu vẫn còn dưới mặt nước.[17]

Ostfriesland được chuyển cho Hải quân Hoa Kỳ, và sau đó được sử dụng như một mục tiêu cố định trong một cuộc phô diễn sức mạnh không quân do Tướng Billy Mitchell tiến hành vào ngày 21 tháng 7 năm 1921 ngoài khơi mũi Henry thuộc Virginia. Con tàu bị chìm lúc 12 giờ 40 phút sau khi phải chịu đựng nhiều quả bom ném trúng đích lẫn suýt trúng.[3] Tuy nhiên, nó có thể tránh được kết cục này nếu như đang di chuyển; và nếu như bị đánh trúng, hoạt động của đội kiểm soát hư hỏng vẫn có thể giúp nó tiếp tục nổi.[17]