Khi Kaiser Wilhelm der Grosse được đưa ra hoạt động cùng hạm đội vào năm 1901, nó tham gia cùng các tàu chị em cùng lớp trong Hải đội 1 thuộc Hạm đội Nhà (Heimatflotte).[6] Sau khi con tàu chị em Kaiser Friedrich III phải vào ụ tàu để sửa chữa, nó thay thế trong vai trò soái hạm của Hải đội 1 vốn do Hoàng tử Henry chỉ huy. Từ cuối tháng 8 cho đến giữa tháng 9, nó tiến hành các cuộc thực tập huấn luyện rộng rãi cùng với phần còn lại của Hạm đội Đức.[7] Cũng trong năm đó, Erich Raeder, người sẽ đứng đầu Hải quân Đức trong Chiến tranh Thế giới thứ hai, được đề bạt để phục vụ như là sĩ quan trinh sát trên tàu.[8]

Vào ngày 31 tháng 8 năm 1902, cuộc cơ động hạm đội mùa Hè hàng năm được bắt đầu. Kaiser Wilhelm der Grosse được cho đóng vai trò một lực lượng "thù địch" (Opfor) cùng với nhiều tàu chị em khác, thoạt tiên được phân công ngăn chặn hải đội "Đức" vượt qua Vành đai lớn trong biển Baltic. Sau đó chúng được giao nhiệm vụ tấn công vượt qua lối ra vào cửa sông Elbe nhằm chiếm kênh đào Kaiser và Hamburg. Hải đội "thù địch" đã hoàn tất các nhiệm vụ này trong vòng ba ngày.[9] Đến năm 1903, hạm đội vốn chỉ bao gồm một hải đội thiết giáp hạm được tái tổ chức thành "Hạm đội Chiến trận Tích cực." Kaiser Wilhelm der Grosse tiếp tục ở lại Hải đội 1 cùng với các tàu chị em và những chiếc lớp Wittelsbach mới hơn, trong khi những chiếc lớp Brandenburg cũ hơn được đưa về lực lượng dự bị để được chế tạo lại.[10]

Vào tháng 10 năm 1905, Hạm đội Nhà một lần nữa được tái tổ chức; Kaiser Wilhelm der Grosse được phân về Đội 1 thuộc Hải đội 2 cùng chung với chiếc tàu chị em Kaiser Friedrich III và thiết giáp hạm cũ Wörth. Phần còn lại của Hạm đội Nhà còn bao gồm một đội ba thiết giáp hạm khác thuộc Hải đội 2 và hai đội ba thiết giáp hạm khác thuộc Hải đội 1. Chúng được hỗ trợ bởi một Hải đội tuần dương bao gồm hai tàu tuần dương bọc thép và sáu tàu tuần dương bảo vệ.[11] Đến năm 1907, lớp thiết giáp hạm Deutschland được đưa ra hoạt động. Cùng với những chiếc lớp Braunschweig, chúng cung cấp đủ thiết giáp hạm hiện đại để thành lập hai hải đội chiến trận đầy đủ biên chế. Kết quả là Hạm đội Nhà được đổi tên thành Hạm đội Biển khơi (Hochseeflotte).[10]

Kaiser Wilhelm der Grosse được cho hiện đại hóa rộng rãi trong những năm 1908-1910 tại xưởng tàu Kaiserliche Werft ở Kiel. Bốn trong số các khẩu pháo 15 cm của nó được tháo dỡ nhưng được bổ sung hai khẩu 8,8 cm, nó cũng tháo dỡ ống phóng ngư lôi phía đuôi tàu, và dàn vũ khí hạng nhẹ được sắp xếp lại.[12] Cấu trúc thượng tầng của Kaiser Wilhelm der Grosse cũng được cắt thấp xuống để giảm bớt xu hướng lật nghiêng đáng kể của con tàu.[13] Các ống khói của con tàu cũng được kéo dài.[12] Sau khi việc nâng cấp hoàn tất, con tàu được điều về Hải đội 3 cùng các tàu chị em. Tuy nhiên, khi các thiết giáp hạm dreadnought được đưa ra hoạt động vào năm 1910, chúng đã trở nên lạc hậu so với các con tàu "toàn súng lớn". Vì vậy Kaiser Wilhelm der Grosse được xuất biên chế và đưa về lực lượng dự bị.[6]

Chiến tranh thế giới thứ nhất

Khi Chiến tranh thế giới thứ nhất nổ ra vào tháng 8 năm 1914, Kaiser Wilhelm der Grosse và các tàu chị em được đưa trở lại phục vụ và được điều động về Hải đội Chiến trận 5. Chúng được phân nhiệm vụ phòng thủ duyên hải tại khu vực biển Baltic, cho dù chỉ làm nhiệm vụ này trong khoảng thời gian rất ngắn. Đến tháng 2 năm 1915, một lần nữa chúng được rút khỏi hoạt động và đưa về dự bị.[6] Vào năm 1916, Kaiser Wilhelm der Grosse được sử dụng như một tàu kho chứa tại Kiel, và sang năm tiếp theo nó được dùng như một tàu mục tiêu thực tập ngư lôi.[5] Sau chiến tranh, theo những điều khoản của Hiệp ước Versailles, Đức chỉ được phép giữ lại sáu thiết giáp hạm thuộc các lớp Deutschland hay Braunschweig; vì vậy, vào ngày 6 tháng 12 năm 1919, con tàu được rút khỏi đăng bạ hải quân, rồi sau đó được bán cho một hãng tháo dỡ tàu tại Berlin. Trong năm tiếp theo, Kaiser Wilhelm der Grosse bị tháo dỡ tại Kiel-Nordmole.[5]