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-годо 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.