Sau khi được đưa vào hoạt động, cả hai chiếc trong lớp Scharnhorst đều được phân về Hải đội Đông Á Đức Quốc, nơi Scharnhorst phục vụ như là soái hạm của Đô đốc Maximilian von Spee. Scharnhorst và Gneisenau đều được đánh giá là những con tàu được huấn luyện tốt, cả hai được nhận những giải thưởng về thành tích thực hành tác xạ.[13] Vào lúc bắt đầu Chiến tranh Thế giới thứ nhất, cả hai đang hiện diện tại quần đảo Caroline trong một chuyến đi thường lệ trong khi phần còn lại của Hải đội dưới quyền Đô đốc von Spee đang phân tán khắp Thái Bình Dương. Việc Nhật Bản tuyên chiến với Đức đã thuyết phục von Spee tập trung lực lượng dưới quyền cùng với các tàu tuần dương Leipzig và Dresden thuộc Trạm châu Mỹ và hướng đến Chile để tiếp nhiên liệu. Hải đội sau đó sẽ tìm cách quay trở về Đức qua ngã Nam Đại Tây Dương. Đô đốc von Spee cũng dự tính tấn công ba chiếc tàu tuần dương Anh dưới quyền chỉ huy của Đô đốc Christopher Cradock và tiêu diệt mọi tàu bè Anh đụng độ.[14] Vào ngày 22 tháng 9 năm 1914, Scharnhorst và Gneisenau tiến đến đảo Papeete tại Polynesia thuộc Pháp với ý định chiếm lấy số dự trữ than tại đây. Các con tàu tiến hành một đợt bắn phá ngắn dẫn đến việc đánh chìm chiếc pháo hạm cũ Zélée. Tuy nhiên, von Spee lo sợ lối ra vào cảng đã được cài mìn, nên quyết định né tránh nguy cơ. Người Pháp cũng đã đốt cháy số than dự trữ của họ để ngăn không cho phía Đức sử dụng.[15]

Trận Coronel

Khoảng 17 giờ 00 ngày 1 tháng 12 năm 1914, Hải đội Đông Á Đức đụng độ với các con tàu dưới quyền Cradock ngoài khơi Coronel thuộc Chile. Vì các con tàu Đức chiếm ưu thế về tốc độ, von Spee duy trì một khoảng cách 18 km (9,7 nmi) trước khi rút ngắn xuống còn 12 km (6,5 nmi) để đối đầu với hải đội Anh lúc 19 giờ 00. Scharnhorst bắn trúng Good Hope khoảng 34 lần, ít nhất một trong các quả đạn pháo đã đánh trúng hầm đạn của Good Hope, gây hậu quả một vụ nổ khủng khiếp đã phá hủy con tàu. Tàu tuần dương hạng nhẹ Đức Nürnberg đã tiến đến cự ly bắn thẳng để tấn công Monmouth, và sau khi bị bắn trúng nhiều phát Monmouth cũng bị chìm. Tàu tuần dương hạng nhẹ Anh Glasgow cùng tàu tuần dương phụ trợ Otranto lẩn tránh được dưới sự che chở của bóng đêm. Thứ trưởng Hải quân Anh, Đô đốc Jackie Fisher nhớ lại "Đó là trận hải chiến buồn thảm nhất trong chiến tranh."[16] Đây là thất bại đầu tiên mà Hải quân Hoàng gia Anh phải chịu đựng kể từ Trận Plattburgh năm 1814. Sau khi tin tức về trận chiến được báo cáo lên Hoàng đế Wilhelm II ở Berlin, ông ra lệnh tặng thưởng 300 huân chương Chữ thập sắt cho các thành viên trong hải đội của von Spee. Sau khi được tiếp nhiên liệu tại Valparaiso, Hải đội Đông Á Đức Quốc lên đường hướng đến quần đảo Falkland nhằm tiêu diệt trạm phát vô tuyến của Anh đặt tại đây.[16]

Trận chiến quần đảo Falkland

Khoảng sáu giờ sau khi tin tức về trận Coronel về đến nước Anh, Đô đốc Fisher chỉ thị cho Đô đốc John Jellicoe, Tư lệnh Hạm đội Grand, phái các tàu chiến-tuần dương Invincible và Inflexible đi săn đuổi các con tàu Đức. Lực lượng đặt dưới quyền chỉ huy của Phó đô đốc Doveton Sturdee còn bao gồm các tàu tuần dương bọc thép Carnarvon, Cornwall, Defense và Kent cùng các tàu tuần dương hạng nhẹ Bristol và Glasgow vốn sống sót qua trận Coronel.[16] Các con tàu dưới quyền Sturdee đi đến quần đảo Falkland vào sáng sớm ngày 8 tháng 12 năm 1914, không lâu trước khi hải đội của von Spee cũng đến nơi. Lực lượng Anh phát hiện ra Hải đội Đông Á lúc 09 giờ 40 phút, trong khi von Spee không biết rằng đối phương đã phái hai tàu chiến-tuần dương đối đầu với mình; và khi phát hiện ra chúng, ông ra lệnh cho các tàu dưới quyền rút lui. Mặc dù đã dẫn trước một quãng xa, các tàu chiến-tuần dương nhanh hơn đã nhanh chóng bắt kịp những con tàu Đức đã hao mòn, vì đã trải qua chặng đường 16.000 nmi (30.000 km) mà không được sửa chữa.[17]

Lúc khoảng 13 giờ 20 phút, các tàu chiến-tuần dương Anh nổ súng ở khoảng cách 14 km (7,6 nmi). Sau hai giờ chống cự, Scharnhorst chết đứng giữa biển và bị nghiêng nặng, con tàu bị đánh chìm không lâu sau đó. Gneisenau trúng khoảng 50 phát đạn pháo ở tầm gần, thủy thủ đoàn tung hô Kaiser ba lần trước khi con tàu chìm. Nürnberg và Leipzig cũng bị đánh chìm; riêng Dresden tìm cách lẩn tránh và tạm thời thoát được, để rồi cũng bị tiêu diệt ngoài khơi đảo Juan Fernández. Khoảng 2.200 người đã tử trận, trong số đó có Đô đốc von Spee.[18]