Пересмотру подвергся и состав вооружения. Вместо малоэффективной на увеличившихся дистанциях боя 152-мм артиллерии установили четырнадцать 203-мм орудий в 50 калибров длиной, располагавшихся в двухорудийных башнях (восемь) и в казематах (шесть). Противоминная артиллерия 47-мм и 75-мм калибра в связи с увеличением водоизмещения миноносцев была заменена на двенадцать 120-мм пушек, установленных на батарейной палубе в верхнем каземате. Артиллерия главного калибра осталась такой же, как на броненосцах типа "Бородино", но за счет применения откидного козырька в башне был увеличен угол возвышения орудий.
Электрическая часть башенных установок была значительно упрощена за счет сокращения количества контактных соединений, повышена надежность электроэлементов, входивших в состав схемы электрооборудования. Металлический завод, изготовлявший башенные установки для линкора "Андрей Первозванный", гарантировал скорость заряжания не более 40 с вместо 66-70 с, как это имело место на броненосцах типа "Бородино". Для увеличения жесткости конструкции было принято решение скрепить жесткий барабан, служивший основанием башни, с броневыми палубами. Корпус башни со всеми механизмами, орудиями и вращающейся броней был полностью уравновешен относительно центра вращения. Металлический мамеринец, вызывавший при повреждениях заклинивание башни, был заменен кожаным. Такая конструкция башни наиболее полно отвечала новым требованиям, разработанным МТК с учетом опыта русско-японской войны.
Значительному изменению подверглась система бронирования. В основу ее был положен принцип обеспечения боевой остойчивости, выдвинутый А.Н. Крыловым: при повреждениях корпуса корабль должен тонуть, не опрокидываясь. Броневой пояс продлили до штевней в горизонтальном направлении и до верхней палубы по вертикали. Наибольшая толщина нижнего броневого пояса составляла 216 мм, верхнего — 127 мм. Полностью были забронированы палубы, верхний и нижний казематы, включая и крышу. Надводный борт корабля не имел ни одного иллюминатора. Общая масса брони составила 35%, водоизмещения корабля. Значительно улучшили конструкцию крепления броневых плит, отказавшись от деревянных прокладок. Полностью была пересмотрена система бронирования боевой рубки. Специально оборудованные междудонные отсеки обеспечивали быстрое спрямление корабля при крене, вызванном затоплением через пробоину одного из машинных отделений.
Линейные корабли "Андрей Первозванный" и "Император Павел I" могли считаться малоуязвимыми для 305-мм артиллерии того времени на всех боевых дистанциях. Наряду с этим они сохранили ряд черт, свойственных "додредноутам": таранное образование форштевня, разнокалиберность артиллерийского вооружения, ромбическое расположение башен 203-мм артиллерии, поршневые механизмы и др.