По сравнению с «Инвинсиблом» бортовая броня «Фон-дер-Танна» имела много большую протяженность (она простиралась в середине корабля до верхней палубы, в то время как британский корабль имел только узкий пояс в районе ватерлинии) и большую толщину (250– 150 мм против 150-100 мм у англичан). Она состояла из двух броневых поясов, из которых верхний броневой пояс батареи среднего калибра опирался на нижний — главный броневой пояс.
Главный броневой пояс простирался от переднего края носовой башни до заднего края кормовой и был установлен на прокладке из тикового дерева толщиной 50 мм. По главной ватерлинии толщина главного броневого пояса составляла 250 мм против 180 мм у «Блюхера» и высоту 1,22 м, из которых 0,35 м уходило ниже главной ватерлинии. У нижней кромки пояса в 1,6 м ниже главной ватерлинии (в районе главной палубы) он постепенно уменьшался до 150 мм.
В оконечностях корабля броневой пояс заканчивался поперечными прямыми 180-мм переборками, а бортовая 120-мм броня продолжалась до носовой части утоньшаясь до 100 мм. В кормовой части броневой пояс толщиной 120 мм заканчивался на расстоянии 3,5 м от кормы переборкой (толщиной 100 мм) и продолжался дальше в корму толщиной 100 мм (с нижней кромкой толщиной 80 мм) немного ниже главной палубы. Бронирование верхнего броневого пояса (батареи среднего калибра) состояло из 150-мм плит.
Между орудиями имелись переборки толщиной 20 мм, а за ними противоосколочные экраны той же толщины. Башни имели толщину брони в лобовой части и задней стенки 230 мм, боковых стенок 180 мм, наклонной передней части крыши 90 мм, плоской части крыши 60 мм, настила в задней части башни 50 мм. Барбеты башен имели внутренний диаметр 8 100 мм (6 900 мм для подачи боезапаса) и толщину стенки 200 мм над бронированным корпусом, причем толщина наружной стенки барбетов носовой и кормовой башен была увеличена до 230 мм, а внутренней стенки уменьшена до 170 мм. Позади главного пояса и бронирования батареи среднего калибра толщина стенки барбетов была уменьшена до 30 мм.
Бронирование передней боевой рубки выполнили из плит толщиной 300 мм, её крыши 80 мм, задней боевой рубки 200 мм и 50 мм соответственно. На корабле произвели значительное усиление палубного бронирования. Это выразилось не только в наличии второй броневой палубы, как горизонтальной защиты корабля, что было применено ещё на «Блюхере» и броненосных крейсерах типа «Шарнхорст», но и в усилении вертикального бронирования и улучшении подводной защиты.
Линейный крейсер «Фон-дер-Танн» (С рисунка того времени)