1936年12月31日，《华盛顿海军条约》期满作废，各海军强国重新开始战列舰的建造工作。英国建造了五艘乔治五世国王级战列舰。美国海军建造了两艘北卡罗来纳级战列舰、四艘南达科他级战列舰、四艘依阿华级战列舰。德国海军建造了两艘俾斯麦级战列舰，日本海军建造了两艘大和级战列舰。法国、意大利也建造了新型的战列舰。这一时期的战列舰大多采用15或16英寸甚至18英寸口径主炮，航速达27节以上，甚至30节以上。

由于航空母舰和潜艇成为海军作战的主要舰种，战列舰在第二次世界大战中逐渐沦为次等的海军主力舰。在大西洋战场，英国海军围绕德国的俾斯麦号和提尔皮茨号战列舰展开了大规模的围剿行动。其余的时间里，盟国的战列舰主要从事护航任务。

在太平洋战场，美国海军的8艘旧式战列舰大多在珍珠港事件中受到损失，其中打捞起来的6艘在本国修理后，担负起轰击岸上目标的任务。而新建造的高速战列舰则担任航空母舰特混编队的舰队警戒（尤其是防空警戒和雷达哨舰）任务。美国的战列舰队在1944年莱特湾海战的苏里高海峡夜战中，与日本战列舰队展开了历史上最后一次战列舰炮战，击沉了日本海军山城号和扶桑号战列舰。

诺曼底登陆战役中，英国和美国的旧战列舰曾经担任炮轰岸上目标的任务。硫磺岛战役和冲绳战役中，美国战列舰也曾经执行过类似的任务。此外，在太平洋战争末期，美国和英国的新式战列舰曾经炮轰过日本的釜石、日立等近海工业城市。1945年8月15日，日本代表在美国密苏里号战列舰上签订了投降文件。战列舰在海军中的光荣生涯达到了顶峰，以及终点。

第二次世界大战后，各国的战列舰纷纷作为废钢铁出售给私人公司拆毁，或作为靶舰和武器试验平台遭到摧毁。美国海军曾将衣阿华级战列舰投入朝鲜战争和越南战争，随后将其退役封存。20世纪80年代，美国海军又重新启用衣阿华级战列舰，加装导弹和直升机，但是使用了10多年后，又使其重新退役，并将“战列舰”这一级别正式从美国海军现役舰船分类中撤消。目前，世界各国只有美国的四艘衣阿华级战列舰、两艘南达科他级战列舰和北卡罗来纳号、得克萨斯号战列舰，以及日本的三笠号前无畏型战列舰作为浮动博物馆得到永久保存。