Durante sua carreira de oito meses sob o comando de seu único capitão, Ernst Lindemann, o Bismarck participou de apenas uma operação ofensiva, a Operação Rheinübung em maio de 1941. O navio, junto com o cruzador pesado Prinz Eugen, deveria seguir para o Atlântico Norte e atacar navios mercantes aliados que se dirigiam para a Grã-Bretanha. As duas embarcações foram detectadas várias vezes perto da Escandinávia, e unidades navais britânicas foram enviadas para bloqueá-las. Na Batalha do Estreito da Dinamarca, em 24 de maio de 1941, o Bismarck enfrentou e destruiu o HMS Hood, o grande orgulho da Marinha Real Britânica, e forçou a retirada do HMS Prince of Wales. Entretanto, o Bismarck foi atingido três vezes e sofreu uma avaria na proa, perfurando um dos tanques de combustível.

A destruição do Hood iniciou uma perseguição implacável pela Marinha Real, que envolveu dúzias de navios. Dois dias depois, enquanto navegava para um porto na França Ocupada, o Bismarck foi atacado por aviões torpedeiros Fairey Swordfish que decolaram do porta-aviões HMS Ark Royal; um dos torpedos atingiu a popa do navio, destruindo um dos lemes e seu mecanismo, tornando-o inoperável. Na manhã seguinte, o Bismarck foi destruído por navios britânicos. A causa de seu naufrágio é controversa: por muitos anos a Marinha Real afirmou que os torpedos disparados do HMS Dorsetshire foram fatais, enquanto que os sobreviventes alemães afirmam terem recebido ordens para afundá-lo. Em junho de 1989, Robert Ballard descobriu os destroços. Várias outras expedições pesquisaram os restos do Bismarck para documentar sua condição e determinar a verdadeira causa de seu naufrágio.