С целью повышения защищенности погребов башен ГК толщина брони главного пояса в сужающихся к оконечностям концевых частях цитадели принималась большей, чем в ее средней части (375 мм): в районах 1-й и 2-й башен ГК соответственно 420 и 390 мм, между ними — 406 мм, в районе 3-й башни — 380 мм. Вертикально ориентированные цементированные броневые плиты, наклоненные для улучшения бронестойкости на 5° к вертикали, устанавливались на стальную рубашку толщиной 14 мм.
К этой же группе можно отнести и барбеты башен ГК, которые в системе бронирования линкора оказались «слабым местом», несмотря на свою большую толщину — 425 мм, которая считалась предельной для катанных плит по возможностям их изготовления нашей броневой промышленностью того времени.
Горизонтальное бронирование цитадели включало экранированную сверху 25-мм палубой полубака и таким же по толщине ширстреком 155-мм гомогенную броню верхней палубы, а также 50-мм среднюю палубу «подхвата», которая должна была обеспечивать удержание заклепочных головок и отколов брони.
Выполненные расчеты показали, что главный пояс цитадели по всей своей длине на курсовых углах 40–50°, а носовой траверз — на всех курсовых углах не пробиваются 406-мм бронебойным снарядом на дистанциях более 84–88 кбт, а барбеты на дистанциях 35 кбт и более. Горизонтальное бронирование цитадели обеспечивало непроникновение через него такого же снаряда на дистанциях до 170 кбт и, кроме того, должно было защищать от 500-кг фугасных авиабомб. В нос от цитадели защита запаса боевой плавучести обеспечивалась 220-мм бортовой и 100-мм палубной броней, а также наклонным (60° к вертикали) вторым носовым траверзом (285–250 мм). В корму от цитадели отсек боевой плавучести ниже средней палубы (155 мм) имел 380-мм бортовую броню и 365-мм траверз, защищавшие находящиеся в его пределах приводы рулей от 406-мм бронебойных снарядов. Между средней и верхней палубами толщина брони траверза и борта (в районе 170–196 шп.) принималась равной 180 мм; предполагалось, что она, как и 220-мм броня носовой оконечности, сможет противостоять 406-мм фугасным снарядам.
Общая протяженность бронированных отсеков, создающих запас боевой плавучести, составляла 78,2 % от длины корабля по КВЛ. В нос от них предусматривались 20-мм ледовый пояс (до самого форштевня) и 65-мм траверз и карапас, а в кормовой оконечности — только последний. Особенностью местного бронирования корабля явилась четырехугольная (с разваленными наружу стенками) форма боевой рубки — ГКП (стенки 425, крыша 250–125 мм, пол 70 мм, труба защиты проводов 400 мм). ГКП, таким образом, имел защиту от 406-мм бронебойных снарядов, тогда как у ЗКП (220 мм) их «держала» только крыша, а стенки защищали лишь от таких же фугасных.
Сходный принцип был заложен и в назначение бронирования башен ГК: передняя и задняя стенки, а также крыша защищались от 406-мм бронебойных, а боковые стенки — только от фугасных снарядов того же калибра. 65- и 100-мм броня башен ПМКи ЗКДБ и их барбетов принималась из условий защиты этой артиллерии от 152-мм фугасных снарядов и от осколков. Броня 37-мм автоматов (25 мм), а также КДП, СПН и других постов на мачтах и надстройках (не менее 20 мм) была чисто противоосколочной. Румпельные отделения, расположенные побортно в концевой части кормового отсека боевой плавучести за 385-мм броней борта и 365-мм кормовым траверзом, имели 50-мм крышу, игравшую роль палубы подхвата для вышележащего 155-мм участка средней палубы, и, кроме того, 40-мм носовой траверз и продольные полупереборки.
Бронирование дымоходов между полубаком и верхней палубой включало 275-мм комингсы и колосники на палубах и в сумме считалось эквивалентным бронированию борта. Ниже верхней палубы дымоходы защищались 50-мм комингсами, выше полубака дымоходы носового котельного отделения также имели 50-мм бронирование, целью установки которого было уменьшение задымления постов на фок-мачте при боевых повреждениях дымоходов.
Как уже указывалось, с самых ранних стадий разработки линкора проекта 23 КБ-4 отдавало предпочтение использованию на нем противоминной защиты (ПМЗ по терминологии того времени) в виде бортовой конструктивной подводной защиты (БКПЗ) системы Пульезе, принятой на новейших по тому времени итальянских линкорах типа «Литторио», и по ее конструкции у проектантов имелась полученная из Италии практически исчерпывающая информация. Однако у этой системы были и противники, находившие, что, будучи сложной по исполнению, она к тому же «…принуждает возить лишний груз воды взамен израсходованного топлива». Возникли споры и борьба мнений. Для объективной сравнительной оценки взрывосопротивляемости различных систем БКПЗ в 1937–1938 годах в Николаеве прошла серия опытов с подрывом 24 масштабных (1:5) изготовленных заводом № 200 отсеков семи известных в то время систем.