俾斯麦号服役时，标准排水量为41700吨，超过英德海军协定规定的35000吨。至于满载排水量，俾斯麦号及其姊妹舰提尔皮茨号已经达到50900吨。相较于其他的战列舰，俾斯麦号因受基尔运河水深限制而显得比较宽，使它可在波涛汹涌的北大西洋上稳定地航行，另外载油量较大亦令其可参与类似太平洋上的远距离行动。

主炮为双连装8门47倍口径380毫米SK/C-34炮，其主炮最大射速很高，最小仰角射速为3发/分，最大仰角射速为2.3发/分，达到同期战列舰（包括任意角度填装的法国战列舰）的最高水平，在一战后建造的战舰主炮中属于中游，弱于大和、衣阿华和维内托级，和黎塞留级、南达科它级、纳尔逊级大致相当，但强于乔治五世级。主炮塔采用前后对称呈背负式布局，舰桥前后各布置两座，射程亦不低于纳尔逊级的45倍口径16英寸主炮，性能在当时很先进。

主炮穿甲弹采用“高初速轻型弹”，在中近交战距离拥有很好的威力，但远距离着靶存速性能相应降低，加上它的弹道低伸不利于远距炮战。 但其装甲防护沿用 “Incremental Armor Scheme”的旧设计模式（称为“全面防护”），导致其装甲厚度远低于纳尔逊级的355MM，拥有同期战列舰中的最大防护尺度，其主装甲堡侧壁复盖了70%的水线长度和56%的舷侧高度，同时装甲总重量达到同期战列舰中的最大比重，占标准排水量的38.2%。此外该舰在实现大防护尺度的同时，依赖大防护尺度提供的空间补偿，将主水平装甲安排在第三层甲板，让其与主舷侧装甲同时重叠在弹道上，使舰体要害部位的防护也得到了很大强化，超越同期建造的其它战列舰。

它的TDS（鱼雷防御系统）设计为抵御250千克TNT的水下爆破，实际上却可以抵御300千克hexanite烈性炸药（德国当时使用的制式鱼水雷用装药，由60%TNT与40%六硝基二苯胺组成，其威力约相当于纯TNT的107%。巴掌的译文将其误译为C4的主要成分黑索金，结果令俾斯麦的水下防御能力凭空增长了至少三分之一。）此外它的装甲材料也很优秀，根据战后美国弗吉尼亚海军基地的测试，俾斯麦级的KCn/A装甲性能“明显好于”美国依阿华（IOWA）级的ClassA装甲，“是6-8英寸级装甲板中美国海军曾测试过的最好者”。

总的来说俾斯麦级的火炮和装甲方案沿袭一战时的巴伐利亚级，比起同时代的英王乔治五世级和黎塞留级，大部分部位装甲薄了一点。坚固的焊接舰体和优质的装甲保护，以及30.8节的航速，令俾斯麦号能有效地吸引及相当程度上应付任何敌军战列舰。其主炮的威力亦可轻易地摧毁遇到的敌方护航运输队。

以上条件可使俾斯麦号突破并进入大西洋的广阔水域，由德国油轮负责补给燃料，逗留在大西洋并攻击敌方护航运输队而不被英国及美国的航空器、潜艇及军舰发现。

俾斯麦号的第一次及唯一一次的任务，是于1941年5月18日实行的 莱茵演习行动(Rheinübung)，伴随的有重巡洋舰欧根亲王号。 德国另外的主力军舰，包括两艘沙恩霍斯特级战列巡洋舰因机械故障或战损而不能参加该行动；而俾斯麦号的姊妹舰提尔皮茨号还未完成海上测试。 舰队由刚瑟·吕特晏斯(Günther Lütjens)海军上将指挥。

德军的目标包括：尽量袭扰盟军的船舶以使英军暂缓派出护航运输队，令双方在地中海及北非的势力暂时平均；转移地中海的英国皇家海军力量令隆美尔及其部队由克里特岛入侵利比亚的计划风险减低。英国海军部早已怀疑德军会突破大西洋，而俾斯麦号已经出发的消息亦被Ultra情报机关解密（破解恩尼格玛密码讯息）证实，并且瑞典巡洋舰哥得兰号已发现了俾斯麦号的行踪。

在3日后，俾斯麦号于接近卑尔根的挪威格里姆斯塔峡湾(Grimstadfjorden)下锚时被喷火式侦察机发现并拍下了照片。皇家海军的战列舰及其他军舰己作好部署，密切留意俾斯麦号进入大西洋时将会途经的各条航线。 德军先取北航向，再取西北航向，成功平安无事地穿过挪威海，向格陵兰方向前进，驶向冰岛与格陵兰之间的丹麦海峡，即大西洋入口。 由于舰队的航线距离北极圈很近，因此英国航空侦察没有发现德国。

由于德国人的主要目标是运输队，吕特晏斯希望能在浓雾的帮助下悄悄地突入大西洋。 5月23日傍晚，德军被配备有雷达的重巡洋舰萨福克号及诺福克号发现，当时两舰正在丹麦海峡巡逻，期待德军的突破。对方舰只在短暂交火后，英军巡洋舰自知不是对手，被迫释放烟雾并退往德军的射程范围外，以雷达尾随德军。

同时，俾斯麦号主炮射击产生的巨大震动导致桅杆上的凝结冰脱落砸坏其雷达，迫使吕特晏斯命令欧根亲王号行驶至舰队前方，为舰队提供前方的雷达搜索。

该决定在之后使英军分不清德军舰只，因为两艘德舰自身的轮廓十分相似，舰身喷涂的伪装也一样。

5月24日，星期日，凌晨5时，德军舰队准备离开丹麦海峡，欧根亲王号的声纳探测到在左舷处有2艘未判明舰只。德舰立即做好了战斗准备。 英国拦截舰队包括刚完工的威尔士亲王号战列舰及胡德号战列巡洋舰，由兰斯洛特·霍兰海军中将指挥。英国编队由胡德号打头阵，威尔士亲王号垫后。

胡德号被视为皇家海军的骄傲，是当时世界上最大的战列巡洋舰，但其弱点是甲板装甲相当薄弱。 霍兰中将命令己方舰首对准德舰，以图尽快缩短双方距离。因为他知道 胡德号的甲板装甲很薄弱，而假如炮战中双方距离超过10000码的话，敌方的炮弹就很可能会落到己方军舰的甲板上，反之则会落到装甲带上。

5时49分，霍兰命令向德军领头舰——欧根亲王号开火，因为英国人误将欧根亲王号当成了俾斯麦号。胡德号在5时52分主炮抢先开火，威尔士亲王号随后也向欧根亲王号开火。 直到打了2轮齐射后，霍兰才发现攻击的目标是错误的，立刻命令将火力转向俾斯麦号，但已浪费了很多时间，并造成了一些混乱。

当时双方距离大约为12.5英里，即10.9海里左右。 5时55分，德国编队开火还击，集中火力攻击胡德号。由于英舰的错误判断，所以一开始炮击时并未命中德舰，反观德舰就没有犯这种错误，所以炮弹不断准确地向英舰射去。尽管霍兰拥有比德舰更强大的火力，但战场形势对吕特晏斯有利——由于英国战舰舰首正对德舰，胡德号和威尔士亲王号分别只能使用四门前主炮和六门前副炮，而德国军舰却能使用全部火力向英国人还击。 此时俾斯麦号发射第三次齐射，命中胡德号中部，造成救生艇甲板产生火灾，并迅速蔓延。霍兰中将此时意识到己方处于不利地位，于是命令左舵二十度，以发挥全部火力。6时整，胡德号刚完成转向，俾斯麦号进行第五次齐射，一发（一说2发）炮弹贯穿了胡德号的薄弱的甲板装甲，引爆了主弹药库。胡德号瞬间折成两半，迅速沉入海中，包括霍兰中将在内的1418名官兵阵亡，仅有3人获救。

德舰立刻将炮火指向威尔士亲王号。该舰舰桥遭一发15英寸炮弹击中，除舰长与一信号兵外所有舰桥人员阵亡。另外各处遭4发15英寸炮弹及4发8英寸炮弹击中，舰体受重创，数门主炮因故障与战损而无法发射，在重伤之下失去战斗力，被迫退出战斗。 德国人也为胜利付出了很大代价。

俾斯麦舰中弹三发，位于舰艏的二号燃料槽受损破裂；左舷被命中一发水中弹（来自威尔士亲王号），导致左舷一座锅炉被击毁，2号发电机舱被水淹没，舰体首倾3°左倾9°，右侧螺旋桨尖出水，航速下降至26节。为日后被围歼埋下了祸根。

追击 英国人很快确定了俾斯麦号的位置，并集结了大量的军舰前来围击，包括约翰·托维上将指挥的本土舰队及詹姆斯·索默维尔中将指挥的地中海H舰队。

1941年5月24日，俾斯麦号遭到从胜利号航空母舰上起飞的剑鱼式鱼雷机的攻击，被命中1枚鱼雷，但仅造成了轻微的损伤。 随后欧根亲王号继续前进，进入大西洋，俾斯麦号则转向前往法国圣纳泽尔以修理损伤。其后英国人差点失去了同俾斯麦号的接触，但舰长吕特晏斯的错误决定（吕特晏斯以为英军仍然知道他在哪里，所以向本土发了电报，该电报被英军截获）使英军再次发现了俾斯麦号