グナイゼナウはシャルンホルストの姉妹艦として1938年5月21日に竣工し、主に姉妹艦であるシャルンホルストと作戦行動を共にしました。第二次世界大戦が始まると、1939年11月にフェロー諸島沖海戦に参加、イギリス海軍武装商船ラワルピンディをシャルンホルストと協力して撃沈しています。
1940年6月にノルウェー沖海戦に参加し、シャルンホルストと共にイギリス海軍航空母艦グローリアスを撃沈する戦果を上げました。
その後、通商破壊作戦に従事し、主砲塔を連装38cm砲に換装する為にゴーテンハーフェンへ移動しました。1943年にバレンツ海海戦の敗報を受けて、ヒトラーは大型艦廃棄命令を発令、グナイゼナウは大型艦廃棄命令を受けて、主砲の換装工事は中止され、廃艦が決定されました。
グナイゼナウに搭載していた砲塔は要塞砲や海岸砲として転用されました。
3つの3連装主砲塔のうち第1砲塔は単装砲に分割されてオランダに設置、第2、第3の砲は3連装のままノルウェーに要塞砲として設置されました。
現在でも第3砲塔と副砲塔が現存しています。
そして、グナイゼナウは1945年3月にゴーテンハーフェンの閉塞船として曳航後に自沈処分、1947年に解体されました。