实战中的德军列车炮
二战中德军最初将铁道炮编成以连为单位的独立部队，每连下属2～4门铁道炮。后来为方便将铁道炮部署进大西洋沿岸的海岸防御中，德军将这些铁道炮连在保留原独立番号的情况下，每2～3个连编成一个铁道炮兵营，到1940年5月法国战役爆发时，德军在编的共有16个铁道炮连，分别隶属于9个铁道炮兵营，另外战时还出现了2个营临时编成一个铁道炮兵团的情况。
“深色皮夹克”与他的大“玩具”多拉大炮
以德军中装备最广泛的K5型列车炮连举例，每个K5型列车炮连下属3个排，人员编制包括56名军官和174名士兵以及辅助人员在内共230人，三个排中1排作为全连的辅助单位编有1列机车和31辆汽车，2排和3排则分别装备1门K5(E)型铁道炮和20辆汽车，另外连部额外编有27辆汽车。
1940年德军成立了第一个铁道炮兵团——第720铁道炮兵团，下属2个铁道炮兵营。最初720团被部署在亚琛地区，在战役开始阶段负责炮击比利时，另外还有几个铁道炮兵连被作为独立单位部署于萨尔、孚日和阿尔萨斯地区提供火力支援。
法国战役结束后，德军将这些法国境内的列车炮部队全部调往加莱海峡执行对英国沿海目标的炮击，需要注意的一点是，此时德军中还广泛装备着基于一战老炮设计的布鲁诺系列铁道炮，而德军为了让这些设计相对过时的铁道炮能够更快地完成运输和部署工作，给这些布鲁诺铁道炮都加装了新式的列车转台，使得这些列车炮能够在48小时内完成部署。但是很快，德军在与英军岸防炮的对射炮击当中发现，英军的海岸防御体系十分完善，沿岸的重炮都有着相当坚固的射击阵地，而自己的铁道炮却总是在露天野战环境下部署简陋的阵地上与对岸的英国人互砸炮弹，暂且不提能对英军造成多大损失，己方铁道炮部队从一开始就处于相对劣势的状态，加之英国皇家空军也经常跨过海峡来游猎这些身形巨大、目标明显同时又缺乏防御的德军铁道炮，而且加莱地区又没有足够的穿山隧道来保护这些铁道炮，所以德军为了降低铁道炮部队的损失，设计了一种被称为“大教堂地堡”的混凝土掩体，这种能够抵御炸弹直接命中的狭长的钢筋混凝土结构地堡可以说是专为列车炮设计的避难所，自占领法国后，德军在加莱地区修建了一系列这种工事，使得列车炮部队拥有了还算可靠的行动基地。
开火瞬间的K-5列车炮
1941年5月，德军陆军抽调了所有能够移动用的16个铁道炮兵连，准备调往东线支援入侵苏联的“巴巴罗萨”计划(事实上常规炮兵部队此时也被大批调往了东线)，同时德军也对现有的铁道炮部队进行了新一轮整编，裁掉了1个装备240毫米旧式铁道炮的连，并且由于K5型列车炮的投产，德军又扩充了5个装备K5型列车炮的铁道炮兵连，总计在编的独立铁道炮兵连增加到20个。
所有被调往东线的20个铁道炮连中，大部分被编成6个营，每两个营再编成一个铁道炮兵团，此外还有几个铁道炮连被直接编成了679特种铁道炮兵团。
这些铁道炮部队中有一半直到1944年苏军反攻为止一直部署于东线，在包括列宁格勒南部的沃尔霍夫阵线在内的苏联北部阵线上执行炮击和火力支援任务。但是铁道炮兵们这些鲜为人知的战斗如果与1942年夏天德军集结9个师对塞瓦斯托波尔要塞发起的那场堪称炮兵聚会的攻势相比，就显得不足了，这场战役除了常规火炮外，德军还部署了3门280毫米远程布鲁诺列车炮，2门K5(E)型列车炮，甚至还动用了800毫米的“多拉”铁道炮和600毫米的卡尔重型臼炮助阵。
在瑟堡海岸被摧毁的德军203毫米列车炮
1942年5月，装备“多拉”列车炮的第672铁道炮兵营抵达距离塞瓦斯托波尔北部大约16千米的预备射击阵地，与之同行的还有1000名来自德国的建筑工人、60名铁路工程师以及1500名征集来的苏联战俘劳工，此外克虏伯也派遣了技术小组前往此地以协助火炮装配并收集实战数据。经过一个月的初期准备，“多拉”列车炮所需的射击用铁轨铺设完成，1942年6月1日，搭载“多拉”列车炮零件以及相关设备的多达20节车厢的4辆专列从杜塞尔多夫试验场开进了克里米亚半岛；“多拉”列车炮在经过5天的装配和调试工作后完成了作战准备，6月5日“多拉”对马克西姆·高尔基1号炮台、斯大林要塞和推定的苏军防线进行了15轮炮击。但是炮击结果非常不理想，炮弹落点的平均误差达到了300米，虽然炮击导致了几次看起来很唬人的大爆炸，但是只有一次炮击被判断为疑似命中。而对高尔基1号炮台的大击，在前线部队再一次遭到来自该炮台的炮击后被确定为毫无效果。值得一提的是，“多拉”铁道炮装备有2种弹药，一种是重4.8吨的高爆榴弹，另一种是重达7吨混凝土穿甲弹，尽管炮弹性能非常优秀，靶场测试中被称为“能够摧毁任何现有的防御”，然而“多拉”的实战表现则实在令人失望，准头成为了炮兵们最头疼的问题。
陈列在美国博物馆里“多拉”大炮的800毫米炮弹
6月6日，“多拉”铁道炮对莫洛托夫要塞进行了7轮射击，虽然落点的平均误差距离已经减少到235米，但前线观察哨所发来的报告依旧判定炮击是完全无效的，但是当天晚些时候，“多拉”取得了自己服役生涯中最大的战果，一发混凝土穿甲弹在砸穿30米厚的地面后引爆了要塞的弹药库，惊天动地的爆炸甚至让远在射击阵地的炮兵都深信不疑地确定自己命中了目标。此后“多拉”在6月11日炮击西伯利亚要塞时命中三发，但6月17日对高尔基炮台的第二次炮击却依然没能命中，最后还是依靠军工兵的努力才攻下了这个炮台。
“多拉”在不到两周的炮击行动中，共发射了48发炮弹，但是除了那个弹药库外没能摧毁任何有价值的目标，相比其投射的360吨弹药，战果实在是令人失望，而“多拉”本身也因炮管严重磨损而不得不运回工厂更换炮管。但是另一边，部署于前线的688铁道炮兵连装备的3门远程布鲁诺铁道炮和2门K5(E)型列车炮在战役中发射了897发炮弹，而这475吨弹药却是实实在在支援了步兵进攻的“良心买卖”。
一位美军军工人员在测量“多拉”大炮的炮管数据
之后德军计划1942年秋天将“多拉”运至列宁格勒包围围炮击包围圈内的苏军，但是当列车炮在预设阵地完成部署时却因为苏军发起的反击，又不得不连夜拆除打包运回德国。1943年末，德军再次计划请出“多拉”来炮击英国南部，但这个计划依然没能实现，因为德军此时已经有了V-2导弹这个更好的选择，德军可以不必再冒着被英军战斗机和岸防火炮反击的危险用火炮袭击英国本土。而事实也是如此，1942年底，德军便不再生产“多拉”使用的800毫米炮弹，说明陆军此时已经彻底放弃了这个由希特勒的个人爱好催生的怪物。“多拉”最后一次参战是被派往镇压华沙起义，但此时再看这门“火炮史上的奇迹”，却宛如一只被人抛弃的怪胎一般，发泄怒火一样向华沙倾泻了自己最后几发炮弹，但结果依然是除了“让破败的城市更破败”地留下一堆瓦砾之外，什么作用也没起到。
塞瓦斯托波尔要塞的“高尔基一号”炮塔
1941年10月，考虑到马耳他对地中海地区交通线以及对轴心国北非前线的海上补给线的威胁，希特勒与意大利最高统帅部联合制定了占领马耳他以缓解轴心国海上补给线压力的“大力神计划”(意大利称之为C3计划)，并计划抽调装备K12列车炮的第701铁道炮兵连前往西西里南端的帕基诺地区进行至少160轮远程炮击，但是这项炮击计划也随着“大力神计划”的流产而不了了之。
1943年7月，为了阻挡登陆西西里的盟军部队，德军从加莱地区抽调了3个铁道炮兵连前往意大利，但是这三支铁道炮兵部队于1943年9月抵达意大利时，原计划需要支援的萨莱诺登陆点的局势已无力回天，这些姗姗来迟的铁道炮兵只能跟随意大利友军一起后撤。
德军和被摧毁的“高尔基”炮塔合影
与此同时，德军在罗马附近的一个车站内发现了2门法国制造的240毫米列车炮(德军称其为K(E)577(f)型铁道炮)，德军马上接管了这2门炮并分配给铁道炮兵连使用，但是这两门炮由于缺乏零件直到几个月后才恢复作战能力。
随着1944年1月盟军在安齐奥开展的大规模登陆行动，德军也开始再一次调度铁道炮部队前往战区进行支援炮击，但是由于盟军对铁路线的重点空袭，直到1月26日，德军第712铁道炮兵连才从阿普利亚北部接近前线。2月5日，隶属712铁道炮兵连绰号“罗伯特”的K5(E)型列车炮在钱皮诺车站内完成了部署工作，并开始向40千米外的盟军阵地进行炮击。次日，另一门隶属725铁道炮兵连的绰号“利奥波德”的K5(E)型铁道炮也在弗拉斯卡蒂西部完成部署，开始向盟军进行炮击。这两门K5列车炮在安齐奥前线神出鬼没的行踪和连续不断的炮击，让盟军颇为头疼，甚至前线的盟军士兵还给这两门炮起绰号叫“幻影炮”和“安齐奥安妮”，而725铁道炮兵连的德军官兵也十分自豪地给自己的K5(E)型列车炮起名为“安齐奥特快”。
“卡尔”臼炮和它发射的600毫米炮弹
盟军为了消灭这两门肉中刺一般的铁道炮不惜出动轰炸机进行围剿，但德军也十分狡猾地利用穿山隧道进行掩护，执行炮击任务时也总是部署在盟军火力覆盖范围的边缘地带，此外德军还利用卡车制造了K5列车炮的假目标以欺瞒盟军的空中侦察。
截至1944年5月，712和725铁道炮兵连打光所有弹药后被迫撤退，在撤退前德军对这两门K5型列车炮进行了彻底的破坏以防止被盟军缴获。据推测，712和725铁道炮兵连在2月至5月的袭扰行动中发射了至少800发炮弹，尽管很难说到底给盟军造成了多少实质性损失，但是K5型列车炮凭借优秀的性能出色完成了袭扰盟军阵线的任务，也由此成为日后被人们所津津乐道的话题之一。
被盟军俘获的K-5列车炮
在巴巴罗萨行动结束后，被调往东线的部分列车炮连又被调回西线以补充日益扩大的大西洋壁垒，西线的列车炮部队主要都集中在加莱海峡至比利时沿岸的15军防区内，这一区域最多曾集结了3个铁道炮兵团共计11个列车炮连，几乎占据了德军全部铁道炮兵部队的一半。自1940年开始至1944年，这些大西洋沿岸的铁道炮共计对英国沿海目标进行了362轮炮击，倾泻了至少864发炮弹，但是由于缺乏准头和统一火控，这些炮击几乎没能造成什么实质性的损失。
1943年，德军开始计划针对英国大城市的报复性轰炸，除了准备调用800毫米的“多拉”和“古斯塔夫”以外，德军还开发了一种远程K5型列车炮，这种超远程火炮将K5的炮管改为滑膛结构后将口径扩大至310毫米，并且还专门开发了安装有稳定尾翼的箭型炮弹，这种炮弹射程可以达到150千米，但是另一方面为了提高射程，炮弹在设计时大幅减轻了重量，弹头装药也只有25千克。德军最初计划在报复英国的轰炸中以V1和V2导弹作为轰炸英国大城市主力军，同时用“多拉”、远程K5和K12铁道炮组成列车炮部队针对英国重要设施进行精确打击。但是很快这个不切实际的计划就被德军放弃，一方面是由于远程炮击的精度过于低下，另一方面是除“多拉”外，其他铁道炮的远程炮弹装药都不多，与装药重达1吨的导弹相比，这种炮击实在难以取得什么战果，于是德军便将铁道炮从轰炸英国的计划中剔除。
射击状态的“卡尔”臼炮
1944年夏天，为增加诺曼底地区的防御，德军在诺曼底和布列塔尼地区部署了8个铁道炮兵连，但D-Day当天这些铁道炮部队都没有位于登陆区域内。事实上德军在整个夏季也没有在盟军进攻地段调用多少铁道炮部队，除了驻扎于凯特维尔的装备K5列车炮的688铁道炮兵连和驻扎于马洛奈、同样装备K5的765铁道炮兵连分别于7月和8月被派去阻挠盟军进攻外，其他铁道炮部队几乎没有什么动作。面对盟军在法国开展的大规模进攻行动，德军的铁道炮部队几乎可以说是毫无作为。德国人在比斯开湾地区部署的4个铁道炮兵连，被分散在比亚里茨海岸和吉伦特河口负责防御工作，但这4个铁道炮兵连在1944年8月15日盟军于里维埃拉海岸登陆后没有进行任何反击便匆匆撤退回德国境内。此外德军在罗纳河口附近还部署有3个铁道炮兵连和一个隶属海军的“格奈森瑙”铁道炮兵连(该连装备的150毫米列车炮是由“格奈森瑙”号战列舰的副炮塔改装而成的，因此这个连也被称为“格奈森瑙”连)，但是这些部队也于盟军登陆后沿罗纳河谷后撤。
1944年9月，装备老式240毫米特奥多·布鲁诺铁道炮的674铁道炮兵连和装备2门K5型列车炮的640铁道炮兵连在洛林地区阻滞美军进攻时被美国炮兵发现了行踪。10月初，美军飞机侦察到了这些铁道炮位于埃贝尔斯维莱的藏身隧道，并于10月8日调来了一门8英寸榴弹炮和一门240毫米“黑龙”榴弹炮对隧道进行了炮击，德军随后仓皇进行还击，一门K5列车炮在炮战中被严重损坏，不得不撤回德国进行大修，而另一门K5也在之后几天的空袭中被炸毁。
一辆被美军缴获的240毫米“布鲁诺”列车炮
1944年下半年可以说是德军铁道炮损失最惨重的时期，重型铁道炮损失达到了21门，其他轻型铁道炮也损失了58门。而幸存的铁道炮在德国国内进行修理和整编后，凑出了德国最后的8个铁道炮兵连。1944年12月，德军将这8个铁道炮兵连全部投入了孤注一掷的阿登反击战，其中725和780铁道炮兵连还装备了次口径增程弹。而这8个铁道炮兵连在阿登战役期间发射的2492发炮弹也成了德军铁道炮部队最后的绝唱。
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