W połowie lat 20. na pancerniku zainstalowano katapultę dla wodnosamolotu pokładowego, którą zdemontowano w trakcie modernizacji w latach 1937–1940Conway’s all the World’s Fighting Ships 1922–1946, s. 284.. W 1925 roku na pancerniku nastąpiła eksplozja amunicji w wieży artyleryjskiej na śródokręciu. Spowodowała ona uszkodzenia kadłuba i zniszczenie wieży, usuwanie szkód trwało do 1928 roku.
Modernizacja Przebudowa pancernika „Caio Duilio” rozpoczęła się 8 kwietnia 1937 roku w stoczni Ansaldo w Genui. W trakcie jej trwania usunięto z okrętu więcej niż połowę konstrukcji i wyposażenia, zastępując je nowym. Całkowicie zmieniono konfigurację uzbrojenia, nadbudówki, maszty i układ napędowy. Starą dziobnicę zastąpiono nowym dziobem kliprowym, przedłużając tym samym kadłub o 10,8 m. Powiększono do 320 mm kaliber armat artylerii głównej, zdejmując jednocześnie wieżę na śródokręciu i zostawiając 10 luf. Artyleria średnia została całkowicie wymieniona, nowa składała się z 12 dział kal. 135 mm umieszczonych w czterech potrójnych wieżach artyleryjskich po bokach nadbudówki dziobowej. Tę ostatnią przebudowano na wzór pancerników typu Littorio. Również artyleria przeciwlotnicza była zbliżona do najnowszych ciężkich okrętów Regia Marina. 10 dział kal.