Kaiser Barbarossa được đưa ra hoạt động cùng hạm đội vào tháng 6 năm 1901, vừa kịp lúc để tham gia cuộc cơ động hạm đội hàng năm vào mùa Hè. Bắt đầu từ cuối tháng 8 năm 1901, sau khi các thiết giáp hạm thuộc lớp Brandenburg quay trở về sau nhiệm vụ hỗ trợ đàn áp cuộc nổi dậy Nghĩa Hòa Đoàn tại Trung Quốc, Kaiser Barbarossa tiến hành thực tập huấn luyện rộng rãi với phần còn lại của hạm đội.[7] Trong năm tiếp theo, một lượt cơ động hạm đội khác diễn ra; lần này có sự tham gia của tất cả các tàu chị em với Kaiser Barbarossa. Trong cuộc cơ động tiến hành từ ngày 17 tháng 8 đến ngày 18 tháng 9, Kaiser Barbarossa cùng phần còn lại của Hải đội 1 được phân cả hai vai trò hạm đội "Đức" lẫn hải đội "thù địch" (Opfor).[8]

Vào 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 Barbarossa 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.[9] Vào tháng 10 năm 1905, Hạm đội Nhà một lần nữa được tái tổ chức; nhưng Kaiser Barbarossa không được phân về đơn vị nào của hạm đội. Hạm đội Nhà lúc đó bao gồm hai đội ba thiết giáp hạm cho mỗi Hải đội 1 và Hải đội 2. 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.[10] Đến năm 1907, lớp thiết giáp hạm Deutschland mới nhất 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).[9]

Bắt đầu từ năm 1907, Kaiser Barbarossa được đưa vào ụ tàu của xưởng Kaiserliche Werft ở Kiel để được hiện đại hóa rộng rãi, vốn kếo dài cho đến năm 1910. Bốn trong số các khẩu pháo 15 cm của nó được tháo dỡ nhưng được bổ sung hai khẩu 8,8 cm; toàn bộ 12 súng máy được tháo dỡ, cũng như ống phóng ngư lôi phía đuôi tàu.[3] Cấu trúc thượng tầng của Kaiser Barbarossa cũng được cắt thấp xuống để giảm bớt xu hướng lật nghiêng đáng kể của con tàu.[11] Các ống khói của con tàu cũng được kéo dài.[4] Đang khi được tái cấu trúc, nó được phân về Đội 2 thuộc Hải đội 1 cùng chung với ba tàu chị em khác,[12] vốn cũng đang được nâng cấp.[3] Sau khi Kaiser Barbarossa đi ra khỏi ụ tàu, nó 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 Barbarossa được xuất biên chế và đưa về lực lượng dự bị.[13]

Chiến tranh thế giới thứ nhất

Khi Chiến tranh thế giới thứ nhất nổ ra vào tháng 8 năm 1914, Kaiser Barbarossa 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 chúng chỉ đảm trách nhiệm vụ này trong sáu tháng. Đến tháng 2 năm 1915, hải đội được giải tán và Kaiser Barbarossa cùng các tàu chị em được đưa về dự bị.[13] Vào năm 1916, Kaiser Barbarossa được sử dụng như một trại tù binh nổi tại Wilhelmshaven.[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 để tháo dỡ. Kaiser Barbarossa bị tháo dỡ tại Rüstringen trong những năm 1919-1920.[5]