Корабль обладал хорошими мореходными качествами за счет высокого борта и удлиненного полубака, на котором размещалась одна из двух башен броненосца. Благодаря этому можно было с успехом использовать артиллерию главного калибра даже при значительном волнении моря. Башенные установки позволяли придавать 254 мм орудиям углы возвышения до 35° вместо обычных 15°, что увеличивало дальность стрельбы. Артиллерия среднего калибра состояла из одиннадцати 152 мм скорострельных пушек, противоминная — из двадцати 75 мм орудий.
На броненосце «Ослябя» вместо сталежелезной брони применили гарвеевскую, что позволило снизить ее толщину и увеличить поверхность бронирования. Впервые в русском флоте на броненосцах этого типа применили конструкцию броневой палубы со скосами, смыкающимися с нижней кромкой броневого пояса, как это было сделано на английском броненосце «Мажестик». Так сложилась типовая конструкция для всех последующих броненосцев. Бронирование броненосцев типа «Ослябя» по массе составляло всего лишь 23 % водоизмещения корабля и приближалось к бронированию броненосных крейсеров.
В феврале 1898 г. правительство России выделило специальные ассигнования на кораблестроение для нужд Дальнего Востока. Морской технический комитет выработал технические задания для проектирования броненосца водоизмещением примерно в 12 000 т. и в апреле 1898 г. отправил их на русские и иностранные заводы с предложением разработать конкурсные проекты. В итоге инженеры Франции предложили проект «Цесаревича», а США — «Ретвизана».
«Цесаревич» послужил прототипом для самой крупной серии эскадренных броненосцев русского флота. Проект составил инженер Лагань, расположивший двенадцать 152 мм орудий в 6 двухорудийных башнях с вынесением средних башен на бортовые срезы, что давало им угол обстрела в 180 градусов и позволяло в носовом и кормовом залпах (то есть, когда корабль представлял наименьшую по площади цель) кроме концевых 305 мм орудий использовать и восемь 152 мм. Двадцать 75 мм орудий стояли на не защищенной броней батарейной палубе.
Забронированный по французской системе корабль имел броневой пояс по всей длине корпуса толщиной 200–250 мм в средней части и 125–170 мм в оконечностях. Верхняя палуба имела толщину 38 мм. Нижняя палуба толщиной 38 мм, загибаясь вниз, образовывала на расстоянии 2 м. от бортов броневую продольную переборку для защиты от подводных взрывов. Боевая рубка, башни главного калибра и их барбеты защищались 254 мм броней, а башни среднего калибра — 150 мм.
Новой в проекте стала и 38мм броневая противоторпедная переборка протяженностью около 90 м, установленная в средней части броненосца на расстоянии 2 м. от наружной обшивки по типу французского броненосца «Жорегибери». «Цесаревич» отличался от прежних броненосцев значительно более полным бронированием: масса новой крупповской брони, на 16–30 % превосходившей по сопротивлению гарвеевскую, достигала примерно 30–32 % водоизмещения.