Защита всегда оставалась „ахиллесовой пятой“ „вашингтонских“ крейсеров. Ограниченное 10 ООО тоннами водоизмещение, наряду с необходимостью иметь 8-дюймовую артиллерию и скорость за 30 узлов, не оставляло достаточного резерва на защиту. Вместе с тем высокие баллистические данные 203-мм орудий требовали весьма мощного бронирования, поскольку расчетная пробиваемость таких пушек, имевших снаряды весом 120–130 кг, составляла 150–200 мм закаленной брони Круппа на средних дистанциях. В результате этого противоречия первое поколение тяжелых крейсеров вообще сталось практически без бортовой защиты. Энергетическую установку британских „Каунти“ и французских „Дюкен“ и „Турвиль“ в принципе могли поразить удачным попаданием даже эсминцы.

С течением времени конструкторы смогли найти технические решения, позволившие значительно усилить броневую защиту: изменение формы корпуса, включение брони в продольную прочность, широкое применение электросварки и дифференцированный подход к толщинам элементов набора и особенно обшивки. Со стапелей стали сходить очень удачные корабли — например, французский „Альжери“, ставший одной из причин появления германских тяжелых крейсеров. Как правило, второе поколение „вашингтонцев“ получало свою защиту за счет фактического превышения 10 000-тонного лимита, в ряде случаев на 20–30 %. В этом отношении положение немцев, сразу решивших не придерживаться вашингтонских ограничений, казалось вроде бы куда более предпочтительным.

Рассмотрим, насколько удачно им удалось распорядиться данным преимуществом. Для характеристики германского решения следует отметить особенности схем бронирования крейсеров 1930-х годов. Доминировали два варианта: первый из них предполагал, по сути, местное бронирование наиболее уязвимых объектов, в первую очередь погребов боезапаса, и, когда оставалась возможность, — механической установки. Из-за желания сэкономить как можно больше, защита погребов выполнялась в виде своеобразных „ящиков“, закрытых спереди, сзади, с боков и сверху. Они обычно не доходили до бортов (например, на английских крейсерах), оставляя тем самым корабль незащищенным от повреждений и затоплений внешних отсеков даже легкими снарядами. Но и в тех случаях, когда броня погребов проходила по внешнему борту (как на американских и японских кораблях), в оконечностях она не поднималась выше уровня воды, поскольку боезапас располагался на нижних платформах. В результате проблемы затоплений по ватерлинии сохранялись и там. Другим вариантом, характерным для более поздних представителей данного класса, являлась обычная „линкорная“ схема, с единым поясом, прикрывавшим все пространство между крайними башнями, включая погреба и энергетическую установку, и закрытым с носа и кормы броневыми траверзами, а сверху — броневой палубой. Так бронировались все итальянские „вашингтонские“ крейсера, такой же вариант защиты приняли французы на „Альжери“, а советские конструкторы — на крейсерах типов „Киров“ и „Чапаев“.

Аналогичное решение использовалось и в схеме бронирования германских крейсеров, но с весьма существенными отличиями. Корабли данного класса во всех остальных странах по сути соответствовали схеме „все или ничего“: все части корпуса вне цитадели оставались без защиты. Немецкие конструкторы предпочли старую, времен 1-й мировой войны, „англо-германскую“ схему бронирования, попытавшись на крейсерах даже увеличить ее площадь (по сравнению с линкорами), прикрыв нос и корму. Другое отличие заключалось в расположении броневой палубы. На прочих крейсерах она выполнялась плоской и проходила по верхней кромке пояса. После долгих дебатов на „хипперах“ решили применить столь традиционную для начала XX века палубу со скосами, спускавшимися к нижней кромке броневого пояса и создававшим дополнительную преграду для снарядов, попадающих в борт.

В результате расположение брони оказалось весьма консервативным: оно практически полностью повторяло схему бронирования германских легких крейсеров 25-летней давности, но с увеличением толщины листов. Его основу составлял 80-мм броневой пояс, простиравшийся от шп. 26 до шп. 164 и имевший наклон 12,5 градусов верхней кромкой во внешнюю сторону, увеличивавший сопротивление на 10–20 % (в зависимости от дистанции). Высота пояса составляла от 2,75 до 3,85 м, из которых при отсутствии переменных весов (топлива, боезапаса, воды и т. п.) только 0,75 м находилось под водой. Разумеется, что после приема полного запаса топлива погружение пояса значительно увеличивалось (до 1,7 м), однако, как показал боевой опыт, в определенных условиях и это не гарантировало от попаданий ниже брони (см. „новогодний бой“ „Адмирала Хиппера“). Пояс несколько заходил за крайние башни и перекрывался по концам 80-мм броневыми траверзами, перпендикулярными к диаметральной плоскости. Далее в нос и в корму шли более тонкие плиты: в корме пояс имел практически такую же высоту, но толщину 70 мм, обеспечивая защиту рулевых механизмов и, в известной мере — валопроводов. Он заканчивался на 6-м шпангоуте 70-мм траверзной переборкой. В носовой оконечности высота листов брони возрастала до 4,4 м, но ее толщина уменьшалась до 40 мм, а на последних трех метрах от форштевня — до 20 мм. Высокий пояс в носу предназначался для защиты от фугасных снарядов, которые в противном случае могли оставить большие пробоины, способствующие распространению затоплений и падению скорости хода из-за возникающего при этом дифферента на нос.

Горизонтальная защита состояла из двух броневых палуб: верхней и главной. Толщина верхней палубы изменялась от 25 мм на протяжении котельных отделений до 12–20 мм в остальных частях корпуса. Палуба прикрывала сверху пространство между 26-м и 167-м шпангоутами. Ее задача состояла в надежной активации взрывателя попавшего снаряда, который имел заметный шанс сдетонировать, не достигнув нижней палубы, и в разрушении бронебойного наконечника, если снаряд оборудовался таковым. Нижняя (она же — главная броневая) палуба простиралась по всей длине 80-мм главного пояса и над 70-мм секцией в корме (от 6-го до 167-го шпангоута) и имела практически на всем протяжении толщину 30 мм. Исключениями являлись две небольшие зоны в нос и корму от барбетов крайних башен, где толщина увеличивалась до 40 мм. Далее в нос шли 20-мм листы. Горизонтальная часть палубы в районе цитадели и в корме проходила примерно на 1 м ниже верхней кромки пояса, а скосы той же толщины соединялись с его нижней кромкой. В районе тонкого носового пояса броневая палуба опускалась на уровень ватерлинии.

Вся горизонтальная и вертикальная защита выполнялась из броневой стали Круппа марки Wh n/a Ww n/а. („Вотан нового образца“, соответственно в твердом и более пластичном варианте). О качествах этой гомогенной (однородной) незакаленной стали, изготовленной из никелевого сплава и носившей громкое имя древнегерманского бога Вотана, имеются довольно разноречивые сведения. Немецкие источники утверждают, что ее сопротивляемость примерно на треть выше, чем у обычной крупповской брони. Напротив, данные союзников ставят этот тип брони ниже британской брони аналогичного назначения даже времен Первой мировой войны. Наиболее здравые оценки лежат между крайностями: они говорят о примерной эквивалентности гомогенной брони крейсерского типа производства 30-х годов в Англии, США и Германии.

Помимо брони корпуса, германские тяжелые крейсера имели весьма значительный объем местного бронирования. Прежде всего это относится к защите башен и барбетов. Барбеты диаметром 6,4 м имели ту же толщину, что и броневой пояс — 80 мм — по всей высоте от броневой палубы до башни. Сами башни состояли из 9 бронеплит, установленных в виде отдельных „граней“, толщина которых резко дифференцировалась. Лобовая плита выполнялась из 160-мм брони, поскольку угол наклона ее был невелик. Зато она занимала менее половины лобовой проекции башни, переходя сверху в сильно наклоненную 105-мм плиту, которая в свою очередь спускалась по бокам к стенкам башни в виде двух граней толщиной 80 мм и соединялась сверху с 70-мм горизонтальной плитой собственно крыши. Остальные части, попадания в которые были наименее вероятными, защищались слабее: вертикальные боковые стенки имели толщину 70 мм, задняя стенка — 90 мм на нижних и всего 50 мм на возвышенных башнях, а задняя скошенная плита — соответственно 80 и 70 мм. (Различные толщины задних частей нижних и верхних башен связаны с их формой и, соответственно, с разными условиями балансировки.) Снизу персонал башен защищал от осколков 30-мм броневой пол.