Первый командир — капитан цур зее Эрих Фёрсте. Уже после первых походов по штормовым морям стало ясно, что для уменьшения заливаемости (брызги долетали до боевого мостика) необходимо переделать бак корабля и зимой 1938/39 годов на «Гнейзенау» увеличили развал носовых шпангоутов, наклон форштевня и высоту борта в носу за счет изгиба палубы вверх.

В июне 1939 года находился в плавании по Атлантическому океану.

5 октября на нём поднял свой флаг контр-адмирал Боем (Вильгельмсхафен).

8 октября выход в Северное море в сопровождении эсминцев целью отвлечения внимания британских ВМС от действий «Дойчланда» и «Адмирала графа Шпее».

21 ноября под флагом командующего флотом вице-адмирала Вильгельма Маршалла, в составе эскадры из «Шарнхроста», лёгких крейсеров «Лейпциг» и «Кёльн», а также 3 эсминцев вышел из Вильгельмсхафена для нанесения ударов по британским патрульным судам между Исландией и Фарерскими островами. После прохода минных полей в открытое море проследовали только «Шарнхрост» и «Гнейзенау».

23 ноября встретили британское соединение: крейсера «Ньюкасл», «Дели», «Калипсо», «Сириз», вспомогательный крейсер «Равалпинди» (en:HMS Rawalpindi; вооружённый 152-мм орудиями пассажирский лайнер). Последний был совместными усилиями обоих крейсеров в скоротечном бою потоплен.

27 ноября вернулся в Вильгельмсхафен и был переведен в Киль, где стал в док для очередной переделки носовой оконечности (в декабре 1940 года, после повреждений полученных кораблем в шторм (Северное море), на корабле установили волноломы и усилили носовые палубы).

18 февраля 1940 года «Шарнхрост» и «Гнейзенау» в сопровождении «Адмирала Хиппера» и двух эсминцев вышли из устья реки Яде для атаки британских конвоев у берегов Норвегии (операция «Нордмарк»).

6 апреля — операция «Учение на Везере» («Везерюбунг»).

9 апреля в бою с британским линейным крейсером «Ринауном» получил попадания двумя 381-мм и 2-я ???-мм снарядами (убито 6 человек ранено 9), полностью вышла из строя кормовая башня ГК, после чего вышел из боя.

29 апреля докование и ремонт полученных повреждений в сухом доке Бремерхафена.

5 мая при переходе из Северного моря на Балтику у устья р. Эльба подорвался на магнитной мине.

4 июня — операция «Джуно» (Первый и единственный случай столкновения линкоров с авианосцем, при котором первые одержали победу).

21 июня в 40 милях к северо-западу от Хальтана, поймал левым бортом торпеду британской ПЛ «Клайд».

28 декабря — операция «Берлин».

Часть 1941 года находился в Атлантике.

11 февраля 1942 года — операция «Цербер».

1 июля 1942 года — часть экипажа переведена на другие корабли.

2 февраля 1943 года согласно директиве нового командующего кригсмарине адмирала Карла Дёница, корабль покинули последние члены экипажа. Корабль был разоружён и стоял в Гдыне как блокшив. Часть вооружения была передана для организации береговой батареи на полуострове Немецкий.

28 марта 1945 года был затоплен, чтобы загородить фарватер.

12 сентября 1951 года работы по подъёму и отправке на слом остатков корабля были завершены.