На «Екатерине II» и «Синопе» 305-мм орудия образца 1877 г. имели длину в 30 калибров (9,14 м). Каждое такое орудие весило 51,3 т (начальная скорость снаряда 570 м/сек., толщина пробиваемой железной плиты у дула 508 мм, на расстоянии 1852 м — 186 мм, дальность полета снаряда при угле возвышения 6° — 27,5 каб. «Чесму» и «Георгий Победоносец» вооружили более мощными 305-мм орудиями образца 1885 г. с длиной канала в 35 калибров. Орудие весило 56,2 т, а его длина равнялась 10,64 м (начальная скорость снаряда 637 м/сек., дальность стрельбы при угле возвышения в 6° 32,5 каб., толщина пробиваемой железной плиты у дула 670 мм, на расстоянии 1852 м — 280 мм).
Из 24 305-мм орудий броненосцев 21 изготовили на Обуховском заводе и 5 (для «Чесмы») в Германии на заводе Крупна. Орудия стреляли снарядами весом по 331,3 кг (заряд пироксилина 17,2 кг). Вес боевого заряда составил 112,4 кг бурого пороха. Боекомплект каждого корабля составлял 60 снарядов на ствол. На каждый снаряд полагалось по 2 полузаряда, хранившихся в отдельных ящиках — кокорах.
305-мм орудия размещались попарно на трех установках внутри 305-мм броневого грушевидного каземата.
Каждая установка состояла из вращающегося стола с решетчатым основанием, двух станин с компрессорами под орудия, механизмов горизонтального и вертикального наведения и системы подачи снарядов и зарядов к орудиям. Кроме того, их устройство позволяло наводить орудия и вручную. Для вращения стола, наведения орудий и заряжания использовались гидравлические приводы. Основной функцией станин (станков) являлось гашение энергии выстрела, наведение ствола по вертикали и заряжание.
Система заряжания состояла из механизмов для подъема снарядов и зарядов на линию досылания в камору и гидравлических прибойников. Заряжание ствола происходило при его строго определенном положении — угле возвышения 6° и различном угле горизонтального наведения для каждой установки. Только в таком положении подавался боезапас с перегрузочного отделения в каземате для подъема к лотку досылателей и последующей его досылки в камору.
Для «Синопа» и «Чесмы» орудийные установки спроектировал и изготовил Металлический завод, для «Георгия Победоносца» — Путиловский, а для «Екатерины II» — завод Андерсона в Англии.
В отличие от других кораблей орудийные станки на «Екатерине II» были снижающимися. Орудия, находясь в нижнем положении, заряжались и поднимались на высоту 1,2 м над палубой только для выстрела.