“格奈森瑙”和“沙恩霍斯特”这两个舰名曾被用来命名两艘于1906年建成的装甲巡洋舰，这对姊妹舰在一战期间曾多次并肩作战。而以这两个舰名命名的舰艇一起协同作战的传统一直延续到了第三帝国海军时代。
从1933年至希特勒掌权的最初几年里，德国海军依然在推行排水量为10000吨的“德意志”级战列舰建造计划。但法国此时已经开始建造设计排水量为26500吨，但实际排水量已经高达29526吨的“敦刻尔克”号战列舰了。意大利也在蠢蠢欲动，计划建造新的战列舰。
1934年至1935年间，德国分别在威廉港和基尔港筹建“德意志”级的“D”号舰和“E”号舰。德国海军内部已经达成共识，预计将这两艘战舰的排水量标准提高到19000吨，以提高舰艇的防护性能。随后这两艘战舰的排水量要求再一次拔高至26000吨，而上的武装也升级为九门283毫米（11英寸）炮。尽管如此，德国军方仍然对外宣称这两艘新造战舰只是普通规格的装甲舰。随后英德两国于1935年6月18日签署了《英德海军协定》，条约规定允许德国海军保有不超过英国皇家海军舰艇吨位35%的舰船，此时德国无需再为这两艘新锐战舰遮遮掩掩，堂而皇之地将其纳入了德国海军的战斗序列。
“格奈森瑙”号于1935年3月在基尔港的德意志造船厂动工，1936年12月8日下水，1938年5月21日建成，总造价为14617万德国马克。“格奈森瑙”号和“德意志”级战列舰装备的是口径相同的三联装炮塔，但前者采用了C/34型炮架，而“德意志”级的主炮炮架则为C/28型。“格奈森瑙”号安装的十二门150毫米（5.9英寸）炮型号也与“德意志”号上的相同，但其中有八门是安装在联装炮塔内的，其余四门则安装在单装炮架上，外加防盾保护。此外舰上还有十四门105毫米（4.1英寸）联装高射炮，十六门37毫米（1.4英寸）联装高射炮，以及八门20毫米（0.8英寸）高射炮（1939年年末增加至十门）。
“格奈森瑙”号的设计方案中包括了完备的舰载机设施，舰上设有两台飞机弹射器（1940年拆除一台）和四架浮筒式水上飞机。最初的船体采用了设有一对锚链孔的垂直舰艏，但在远洋试航中，海浪常常涌上前甲板，导致“A”炮塔无法正常运作。
因此“格奈森瑙”号于1938年冬季至1939年改装为飞剪式舰艏，舰艏距海平面更高，外飘更明显，船体总长度也因此增加了5.1米，但本舰的适航性能提高并不大。因此“格奈森瑙”号于1942年再次接受了改装，两个锚链孔最初被保留下来，但后来用钢板封上，锚链改由甲板舷侧的凹槽入水。另外烟囱上安装了一个向后倾斜的烟罩，以确保烟尘不会影响指挥塔的正常运作。1941年时，“格奈森瑙”号为了强化防空火力，加装了十二门四联装高射炮和一个大型机库，机库内置一台弹射器。六具533毫米（21英寸）鱼雷发射管以两座三联装的方式安装在船体舯部的上层甲板上。
虽然“格奈森瑙”号和“沙恩霍斯特”号大多数时候被归为战列巡洋舰，而且它们的283毫米(11英寸)主炮也相对口径较小，但在德国海军内部仍然被划分为“战斗舰”，即国际上惯称的“战列舰”。1942年时曾计划为“格奈森瑙”号装上九门三联装380毫米(15英寸）炮，但最终未能实现。另外原先曾有计划在“格奈森瑙”号上安装柴油主机，但为了保证30节以上的航速，最终还是安装了性能更加可靠的高压蒸汽轮机。
在大多数军事行动中，“格奈森瑙”号都是与“沙恩霍斯特”号并肩作战。1939年11月23日，两艘姊妹舰在法罗群岛西北海域共同击沉了“拉瓦尔品第”号辅助巡洋舰。1940年4月9日，“格奈森瑙”号在支援德军登陆挪威纳尔维克时与英国“声望”号战列巡洋舰激烈交火，舰艉炮塔遭到摧毁。然而当此次维修刚刚结束，又因为误触水雷只得返回基尔港进一步进行维修。6月，“格奈森瑙”号又与“沙恩霍斯特”号联手在纳尔维克沿海击沉了英国“光荣”号航空母舰以及“阿卡斯塔”号和“热心”号驱逐舰。返回德国途中，“格奈森瑙”号被英国潜艇“克莱德”号发射的一枚鱼雷击中，舰体严重受损。
1941年1月22日至3月23日间，“沙恩霍斯特”号和“格奈森瑙”号一直在大西洋进行“破交战”，共取得击沉二十二艘商船的巨大战果。1941年4月6日，“格奈森瑙”号被一枚航空鱼雷重创后，一直停留在布雷斯特港，再未参加过军事行动。在布雷斯特港逗留了将近一年之后，“格奈森瑙”号随同“沙恩霍斯特”号一起于1942年2月11日至13日展开了“瑟布鲁斯行动”或称为“海峡冲刺行动”，同行的还有“欧根亲王”号重巡洋舰以及由大批驱逐舰、快速鱼雷艇组成的护航舰队。“格奈森瑙”号在行动中误触水雷，但仅受轻伤。2月26日，停放在干船坞内的“格奈森瑙”号受到猛烈空袭，遭到重创。其后它移往哥德哈芬（今波兰的格但斯克），准备在当地进行维修并更换舰炮。1943年1月，“格奈森瑙”号的283毫米（11英寸）主炮被转移到岸上作为海防炮台。
1943年2月以后，它的各项维修工作陷入停顿。1945年3月27日，“格奈森瑙”号被德军作为阻塞舰凿沉。1951年后它被打捞起来拆解回收。