Оригинальные итальянские двухствольные зенитные автоматы 37 mm/54 Breda при подписании договора в 1932 году предполагалось заменить на отечественные двухствольные зенитные 37-мм автоматы. Основой уверенности в успехе было то, что ещё 28 августа 1930 года был заключён договор с фирмой «БЮТАСТ» (подставная контора, представляющая интересы немецкой фирмы «Рейнметалл»), предусматривающий поставку немецкой стороной ряда артиллерийских систем, комплекта рабочей документации к ним, а также помощь в организации серийного производства орудий в СССР. В числе этих артиллерийских систем была и 37-мм автоматическая пушка. К сожалению, по ряду причин разработка и принятие на вооружение 37-мм автоматов затянулись, и к 1938 году двухствольные 37-мм автоматы промышленности освоить не удалось. Всего первоначальным проектом советских крейсеров было предусмотрено 4 спаренных зенитных автомата. При вводе в строй в 1938 году головной крейсер «Александр Пушкин» был временно вооружен четырьмя одноствольными зенитными 37-мм автоматами 70-К. К 1940 году стало ясно, что дата принятия на вооружение двухствольных 37-мм автоматов 66-К снова сдвинута вправо на неопределенный срок. В этой связи кормовые 100-мм орудия Минизини в 1940 году были заменены одноствольными зенитными 37-мм автоматами 70-К как на головном, так и на последующих крейсерах серии.
Итальянские спаренные 13,2-мм пулеметы в 1932 году планировалось заменить на советские спаренные 12,7-мм пулеметы Дягтерева. Как и с 37-мм автоматами, спаренные пулеметы тоже не удались, и в момент ввода в строй советские крейсера имели по 4 одноствольных 12,7-мм пулемета ДШК.
Таким образом, вооружение советских тяжелых крейсеров к началу Великой Отечественной войны включало 4х3х180мм/57, 6х2х100мм/47, 6х1х37мм/73, 4х1х12,7мм.
Вскоре после начала войны в 1941 году стала очевидной недостаточность зенитного вооружения, в связи с чем зимой 1941/1942 года крейсера были довооружены ещё двумя 37-мм зенитными автоматами 70-К (по одному на второй и третьей возвышенных башнях главного калибра). Общее число 37-мм автоматов стало равно восьми.
В 1942 году было принято решение зимой 1942/1943 года довооружить крейсера ещё двумя 37-мм зенитными автоматами 70-К (теперь дополнительные 37-мм автоматы размещались по два на второй и третьей возвышенных башнях главного калибра). Общее число 37-мм автоматов стало равно десяти.
В годы войны каждый из крейсеров оснастили двумя 12,7-мм счетверенными пулеметами «Виккерс», поставлявшимися по ленд-лизу из Великобритании.
В ходе капительного ремонта и модернизации 1949-1953 годов одноствольные 37-мм зенитные автоматы 70-К были заменены 37-мм спаренными зенитными автоматами В-11, принятыми на вооружение в 1946 году.
Радиоэлектронное вооружение первоначальным проектом предусмотрено не было, но в 1941 году на вторую пару крейсеров («Максим Горький» и «Лев Толстой») были установлены отечественные опытные радиолокационные станции «Редут-К».
Бронирование
Схема бронирования полностью повторяла решения тяжелого крейсера «Зара»
Пояс – 150…100 мм; верхний пояс – 30 мм; траверзы – 120…90 мм; палуба – 70…65+20 мм; башни – 150…100 мм; барбеты – 120 мм; рубка – 150 мм