防護和生存力一直都是德國軍艦最顯著的性能強項，這與德國海軍的設計思想有關，從前無畏時代起，德國軍艦一直就是世界上最重視防禦的軍艦。德國人不僅在技術上強化了軍艦的防禦，也在設計取舍上加大了軍艦防禦的優先性：“俾斯麥”級是二戰時代建成戰列艦中裝甲比重最大的戰列艦，不含炮塔旋轉部分的裝甲總重量就達到了標準排水量的41.85％；也是二戰時代防護尺度最大的戰列艦，主裝甲堡側壁覆蓋了70％的水線長度和全部的幹舷高度。
“俾斯麥”級戰列艦主要使用了以下幾種鋼材建造：
st42造船鋼，於1931年在傳統的二號造船鋼基礎上改進而成，用於建造俾斯麥的上層建築和非裝甲艙段艦體結構。其硬度為140－160hb，抗拉強度為420－510mpa，屈服強度為340－360mpa，彈性形變範圍21％，性能不低於其它國家的同類產品。
st52造船鋼，於1935年在著名的三號造船鋼基礎上改進而成，用於建造俾斯麥的裝甲艙段和輕裝甲艙段艦體結構。其硬度為160－190hb，抗拉強度為520－640mpa，屈服強度為360－380mpa，彈性形變範圍21％，同時具有極佳的韌性和延展性，具有很強的抗斷裂和撕裂能力。雖然其較軟的材質抵抗動能穿甲彈的能力較弱，但它擁有優秀的構造強度保持能力和優良的魚雷爆破衝擊波抵抗能力。
ww高彈性勻質鋼，於1925年在傳統的knc裝甲基礎上發明，用於建造俾斯麥的主防雷裝甲。其硬度為190－220hb，抗拉強度為650－750mpa，屈服強度為380－400mpa，彈性形變範圍25％。
wh高強度勻質鋼，於1925年在傳統的knc裝甲基礎上發明，其中的高性能部分被用於建造“俾斯麥”級的所有水平裝甲和首尾水線裝甲帶以及內部縱橫向裝甲。其硬度高達250－280hb，抗拉強度為850－950mpa，屈服強度為500－550mpa，彈性形變範圍20％。
／a表麵滲碳硬化鋼，於1928年在傳統的kc裝甲基礎上發展而成，用於建造俾斯麥的舷側、炮座、炮塔立麵、指揮塔立麵裝甲。其表麵硬度高達670－700hb，遞減滲碳深度為40－50％，基材硬度為230－240hb，基材抗拉強度為750－800mpa，基材屈服強度為550－600mpa。
在縱向俯視圖上，“俾斯麥”級的艦體為紡錘形，中間最粗，向首尾兩端以拋物線形逐漸變細，這種形態的艦體很容易獲得可靠的構造強度。在橫向上，由於布置了厚重的上部舷側裝甲和上裝甲甲板，該艦在上甲板下方就布置了第一主構造梁，並在第二甲板下方布置了第二主構造梁，使該艦擁有雙層艦體上部主構造梁，而不是象其它多數國家戰艦那樣在主水平裝甲下方布置單一的主構造梁，這樣做的好處是充分利用了25米高46.8米寬的全部艦體橫截麵的尺度布置主承力結構，最大限度的增加了承力結構的幾何力矩從而提高了強度。
“俾斯麥”級全艦分為44個主水密隔艙段，從第6到第38艙段為主裝甲堡區域，艦體主裝甲堡長達246.15米，最寬處46.8米，保護了70％的水線長度和85％－90％的浮力以及儲備浮力空間，這是任何同時期戰艦也無法做到的大手筆。在巨大的艦體主裝甲堡內，德國人又在縱向和橫向上安裝了多重裝甲和水密隔板。以鍋爐艙段下部艦體為例，除了兩舷各擁有寬度為11米的防雷隔離艙外，內部又被分成三個並排布置的水密隔艙，每個隔艙內安放著兩台高壓重油鍋爐，俾斯麥擁有兩個這樣的艙段，它們中間被一個副炮彈藥庫艙段隔開。在這樣的布置下，一個鍋爐艙進水，戰艦隻會損失六分之一的動力，來自一個舷側方向的攻擊最多隻能讓戰艦的兩個鍋爐艙進水，損失三分之一的動力。此外，與其它國家的戰列艦不同，依托大量的橫向、縱向和水平裝甲，該艦在主水平裝甲以上的上部艦體內也設置了大量的水密隔艙。加上下部艦體，俾斯麥全艦被細分成數千個大小不一的獨立水密隔艙，就像鍋爐一樣，該艦每個重要的子係統都被以盡可能降低風險的原理分隔放置在這些隔艙內。
“俾斯麥”級的防雷隔離艙在舯部深11米，向艦尾方向逐漸減至10米，向艦首方向逐漸減至9米，由44mmst52船殼－空氣艙－36mmst52油艙壁－油艙—90mmww主防雷裝甲板－16mmst52防水背板構成，為兩艙四層鋼板的布置結構。該結構在動力艙段的主防雷裝甲後麵沒有設置完整的過濾艙，而在副炮彈藥庫和主炮彈藥庫艙段的主防雷裝甲到彈藥庫壁之間，管線艙和下方的儲藏艙一起形成了完整的過濾艙。整體上看，除了彈藥庫艙段的布置相對還算嚴密以外，與同時期其它國家戰列艦的防雷結構相比較，“俾斯麥”級的結構要簡單得多，設計要求也不高，僅僅為抵禦500kgtnt的水下爆破。但德國海軍在1944年11月12日關於“提爾皮茨”號損失的222－45號技術報告上指出它的tds能抵擋600kg德國hexanite烈性炸藥的水下爆破，可以認為這是該級戰艦防雷係統的實際準確防禦水平。
“俾斯麥”級的主裝甲堡長達246.15米，覆蓋了70％的水線長度，裝甲堡側壁從水線以下6米多處一直延伸到上裝甲甲板，在整個舷側立麵的常見被彈部分都布置了厚重的裝甲，是二戰時代裝甲覆蓋麵積比例最大的戰列艦。其上部5.2米高的舷側裝甲帶由厚達290／a鋼板製成，與100－160mm的wh上裝甲甲板一同保護著整個位於主裝甲堡上部艦體內的水兵生活和工作區，可以抵擋重巡洋艦的炮彈和中小型航空炸彈。中部是位於水線上下的640／a鋼板製成的主舷側裝甲帶，可以在正常交戰距離以材料質量優勢獨自抵擋大部分戰列艦的炮彈。在吃水19.6－20.8米的作戰常態重量時，俾斯麥高10.4米的640mm主舷側裝甲有5.5－6.4米被埋在了水下，在640mm主舷側裝甲的下方，還有一道高1.2米均厚為340mm的主舷側裝甲下沿，使該艦擁有深入水下達6.4－7.6米的舷側裝甲，為其提供了良好的水下防彈能力，炮彈必須在水中穿行很長的距離擊中更低的位置才能穿過44mm船殼進入防雷吞噬艙和吸收艙，這時後麵的90mm主防雷裝甲板已經能夠獨立抵擋。
在艦體主裝甲堡內，位於主裝甲甲板以下的空間，設置有16道由厚達40－120mm的wh鋼板製成的橫向內部裝甲牆，它們也被同時作為艦體橫向構造的一部分。16道裝甲牆和首尾兩端640mm厚的橫向外裝甲牆共同把“俾斯麥”級主裝甲堡內的下部空間分為18個重裝甲艙段，其中的12道，以60mm的厚度又延伸到上部艦體內，和首尾兩端200－440mm厚的橫向外裝甲牆共同把主裝甲堡內的上部空間也分為14個重裝甲艙段。即使有戰列艦炮彈或穿甲炸彈射入其中爆炸，彈片受到這些內部裝甲的阻擋，破壞力也會被控製在較小範圍的空間內。
“俾斯麥”級的艦首和艦尾水線部位分別設有120mm和160mmwh鋼製成的輕裝甲帶，它們會在艦體受到攻擊的時候盡可能的保持水線外形的整體完整度，防止艦體表麵發生大麵積破碎。二戰時代的大部分新式戰列艦都采用了重點防護的方式布置裝甲，這是因為它們的裝甲比重小，沒有多餘的裝甲去防護非致命部位，保證重點部位不被擊穿，是首要的。
二戰時代大部分國家的軍艦主水平裝甲都是布置在主舷側裝甲上方，與主舷側裝甲上方邊緣連接，構成一個密閉的裝甲盒。德國軍艦則不同，它采用了一種叫做裝甲堡延展結構的裝甲布置方式，其主水平裝甲位於主舷側裝甲一半左右位置的腰部，在靠近舷側的兩端以小俯角向下傾斜，延伸到主舷側裝甲的下部位置與之相連，這樣的主水平裝甲在橫截麵上看起來是一個穹頂，被稱為“穹甲”。穹甲頂部位於水線附近，在軍艦處於作戰常態排水量的時候則往往位於水線以下，這就使得敵方炮彈在穿過其主裝甲帶後還必須再穿過這層裝甲，才能進入德艦的機艙、鍋爐艙、副炮彈藥庫和主炮彈藥庫。雖然穹甲布置縮小了艦體核心艙室的空間高度，但這個問題往往在德艦艦體主裝甲區的巨大長度上得到彌補，從而保持了德艦核心艙室的空間總量。以俾斯麥戰艦為例，其460mm主炮彈藥庫，鍋爐、輪機、150mm副炮彈藥庫，105mm、37mm和20mm高炮彈藥庫，鍋爐艙到輪機艙的蒸汽輸送管道，貫穿全艦的縱向主電纜通道全部布置在了160－240mm穹甲的下方，容納的設施比大部分其它國家的新式戰列艦還多。
德國戰列艦沒有設置兩用甲板的習慣，它們采用了裝甲甲板和水密甲板分離的傳統布局。“俾斯麥”級位於機艙和彈藥庫上方的艦體水平結構有三層，第一層由柚木＋100－160－mmwh裝甲甲板＋20mmst52水密甲板+第一主構造梁構成；第二層由40mmst52水密甲板＋第二主構造梁構成；第三層是該艦上為數不多的創新設計之一，在160－200mmwh水平部分裝甲甲板的下方是40mm的st52水密甲板，再往下並沒有像其它國家的戰列艦一樣布置主構造梁而是水平鋪設了一層構造加強筋，與裝甲甲板一同被作為艦體構造的組成部分，承擔和主構造梁相近的作用。此外，構造加強筋由彈性形變範圍剛好比wh鋼略大一點的st52鋼製成，可以隨著wh裝甲板一同發生彈性形變並分擔抗拉峰值受力，再隨著wh裝甲板一同恢複，以此提高整個水平結構的防禦力，加強這道保護動力艙和彈藥庫的最後防線。
“俾斯麥”級前後各有兩座3聯裝的460m／a裝甲鋼圈，炮座在艦內從160mm上裝甲甲板到200／a裝甲鋼圈，外圍側麵受到290－640／a舷側裝甲和60mmwh內部縱向裝甲的保護，總厚度為7901140mm，防禦能力高於炮座露天部分。
“俾斯麥”級戰列艦主要使用了以下幾種鋼材建造：
st42造船鋼，於1931年在傳統的二號造船鋼基礎上改進而成，用於建造俾斯麥的上層建築和非裝甲艙段艦體結構。其硬度為140－160hb，抗拉強度為420－510mpa，屈服強度為340－360mpa，彈性形變範圍21％，性能不低於其它國家的同類產品。
st52造船鋼，於1935年在著名的三號造船鋼基礎上改進而成，用於建造俾斯麥的裝甲艙段和輕裝甲艙段艦體結構。其硬度為160－190hb，抗拉強度為520－640mpa，屈服強度為360－380mpa，彈性形變範圍21％，同時具有極佳的韌性和延展性，具有很強的抗斷裂和撕裂能力。雖然其較軟的材質抵抗動能穿甲彈的能力較弱，但它擁有優秀的構造強度保持能力和優良的魚雷爆破衝擊波抵抗能力。
ww高彈性勻質鋼，於1925年在傳統的knc裝甲基礎上發明，用於建造俾斯麥的主防雷裝甲。其硬度為190－220hb，抗拉強度為650－750mpa，屈服強度為380－400mpa，彈性形變範圍25％。
wh高強度勻質鋼，於1925年在傳統的knc裝甲基礎上發明，其中的高性能部分被用於建造“俾斯麥”級的所有水平裝甲和首尾水線裝甲帶以及內部縱橫向裝甲。其硬度高達250－280hb，抗拉強度為850－950mpa，屈服強度為500－550mpa，彈性形變範圍20％。
／a表麵滲碳硬化鋼，於1928年在傳統的kc裝甲基礎上發展而成，用於建造俾斯麥的舷側、炮座、炮塔立麵、指揮塔立麵裝甲。其表麵硬度高達670－700hb，遞減滲碳深度為40－50％，基材硬度為230－240hb，基材抗拉強度為750－800mpa，基材屈服強度為550－600mpa。
在縱向俯視圖上，“俾斯麥”級的艦體為紡錘形，中間最粗，向首尾兩端以拋物線形逐漸變細，這種形態的艦體很容易獲得可靠的構造強度。在橫向上，由於布置了厚重的上部舷側裝甲和上裝甲甲板，該艦在上甲板下方就布置了第一主構造梁，並在第二甲板下方布置了第二主構造梁，使該艦擁有雙層艦體上部主構造梁，而不是象其它多數國家戰艦那樣在主水平裝甲下方布置單一的主構造梁，這樣做的好處是充分利用了25米高46.8米寬的全部艦體橫截麵的尺度布置主承力結構，最大限度的增加了承力結構的幾何力矩從而提高了強度。
“俾斯麥”級全艦分為44個主水密隔艙段，從第6到第38艙段為主裝甲堡區域，艦體主裝甲堡長達246.15米，最寬處46.8米，保護了70％的水線長度和85％－90％的浮力以及儲備浮力空間，這是任何同時期戰艦也無法做到的大手筆。在巨大的艦體主裝甲堡內，德國人又在縱向和橫向上安裝了多重裝甲和水密隔板。以鍋爐艙段下部艦體為例，除了兩舷各擁有寬度為11米的防雷隔離艙外，內部又被分成三個並排布置的水密隔艙，每個隔艙內安放著兩台高壓重油鍋爐，俾斯麥擁有兩個這樣的艙段，它們中間被一個副炮彈藥庫艙段隔開。在這樣的布置下，一個鍋爐艙進水，戰艦隻會損失六分之一的動力，來自一個舷側方向的攻擊最多隻能讓戰艦的兩個鍋爐艙進水，損失三分之一的動力。此外，與其它國家的戰列艦不同，依托大量的橫向、縱向和水平裝甲，該艦在主水平裝甲以上的上部艦體內也設置了大量的水密隔艙。加上下部艦體，俾斯麥全艦被細分成數千個大小不一的獨立水密隔艙，就像鍋爐一樣，該艦每個重要的子係統都被以盡可能降低風險的原理分隔放置在這些隔艙內。
“俾斯麥”級的防雷隔離艙在舯部深11米，向艦尾方向逐漸減至10米，向艦首方向逐漸減至9米，由44mmst52船殼－空氣艙－36mmst52油艙壁－油艙—90mmww主防雷裝甲板－16mmst52防水背板構成，為兩艙四層鋼板的布置結構。該結構在動力艙段的主防雷裝甲後麵沒有設置完整的過濾艙，而在副炮彈藥庫和主炮彈藥庫艙段的主防雷裝甲到彈藥庫壁之間，管線艙和下方的儲藏艙一起形成了完整的過濾艙。整體上看，除了彈藥庫艙段的布置相對還算嚴密以外，與同時期其它國家戰列艦的防雷結構相比較，“俾斯麥”級的結構要簡單得多，設計要求也不高，僅僅為抵禦500kgtnt的水下爆破。但德國海軍在1944年11月12日關於“提爾皮茨”號損失的222－45號技術報告上指出它的tds能抵擋600kg德國hexanite烈性炸藥的水下爆破，可以認為這是該級戰艦防雷係統的實際準確防禦水平。
“俾斯麥”級的主裝甲堡長達246.15米，覆蓋了70％的水線長度，裝甲堡側壁從水線以下6米多處一直延伸到上裝甲甲板，在整個舷側立麵的常見被彈部分都布置了厚重的裝甲，是二戰時代裝甲覆蓋麵積比例最大的戰列艦。其上部5.2米高的舷側裝甲帶由厚達290／a鋼板製成，與100－160mm的wh上裝甲甲板一同保護著整個位於主裝甲堡上部艦體內的水兵生活和工作區，可以抵擋重巡洋艦的炮彈和中小型航空炸彈。中部是位於水線上下的640／a鋼板製成的主舷側裝甲帶，可以在正常交戰距離以材料質量優勢獨自抵擋大部分戰列艦的炮彈。在吃水19.6－20.8米的作戰常態重量時，俾斯麥高10.4米的640mm主舷側裝甲有5.5－6.4米被埋在了水下，在640mm主舷側裝甲的下方，還有一道高1.2米均厚為340mm的主舷側裝甲下沿，使該艦擁有深入水下達6.4－7.6米的舷側裝甲，為其提供了良好的水下防彈能力，炮彈必須在水中穿行很長的距離擊中更低的位置才能穿過44mm船殼進入防雷吞噬艙和吸收艙，這時後麵的90mm主防雷裝甲板已經能夠獨立抵擋。
在艦體主裝甲堡內，位於主裝甲甲板以下的空間，設置有16道由厚達40－120mm的wh鋼板製成的橫向內部裝甲牆，它們也被同時作為艦體橫向構造的一部分。16道裝甲牆和首尾兩端640mm厚的橫向外裝甲牆共同把“俾斯麥”級主裝甲堡內的下部空間分為18個重裝甲艙段，其中的12道，以60mm的厚度又延伸到上部艦體內，和首尾兩端200－440mm厚的橫向外裝甲牆共同把主裝甲堡內的上部空間也分為14個重裝甲艙段。即使有戰列艦炮彈或穿甲炸彈射入其中爆炸，彈片受到這些內部裝甲的阻擋，破壞力也會被控製在較小範圍的空間內。
“俾斯麥”級的艦首和艦尾水線部位分別設有120mm和160mmwh鋼製成的輕裝甲帶，它們會在艦體受到攻擊的時候盡可能的保持水線外形的整體完整度，防止艦體表麵發生大麵積破碎。二戰時代的大部分新式戰列艦都采用了重點防護的方式布置裝甲，這是因為它們的裝甲比重小，沒有多餘的裝甲去防護非致命部位，保證重點部位不被擊穿，是首要的。
二戰時代大部分國家的軍艦主水平裝甲都是布置在主舷側裝甲上方，與主舷側裝甲上方邊緣連接，構成一個密閉的裝甲盒。德國軍艦則不同，它采用了一種叫做裝甲堡延展結構的裝甲布置方式，其主水平裝甲位於主舷側裝甲一半左右位置的腰部，在靠近舷側的兩端以小俯角向下傾斜，延伸到主舷側裝甲的下部位置與之相連，這樣的主水平裝甲在橫截麵上看起來是一個穹頂，被稱為“穹甲”。穹甲頂部位於水線附近，在軍艦處於作戰常態排水量的時候則往往位於水線以下，這就使得敵方炮彈在穿過其主裝甲帶後還必須再穿過這層裝甲，才能進入德艦的機艙、鍋爐艙、副炮彈藥庫和主炮彈藥庫。雖然穹甲布置縮小了艦體核心艙室的空間高度，但這個問題往往在德艦艦體主裝甲區的巨大長度上得到彌補，從而保持了德艦核心艙室的空間總量。以俾斯麥戰艦為例，其460mm主炮彈藥庫，鍋爐、輪機、150mm副炮彈藥庫，105mm、37mm和20mm高炮彈藥庫，鍋爐艙到輪機艙的蒸汽輸送管道，貫穿全艦的縱向主電纜通道全部布置在了160－240mm穹甲的下方，容納的設施比大部分其它國家的新式戰列艦還多。
德國戰列艦沒有設置兩用甲板的習慣，它們采用了裝甲甲板和水密甲板分離的傳統布局。“俾斯麥”級位於機艙和彈藥庫上方的艦體水平結構有三層，第一層由柚木＋100－160－mmwh裝甲甲板＋20mmst52水密甲板+第一主構造梁構成；第二層由40mmst52水密甲板＋第二主構造梁構成；第三層是該艦上為數不多的創新設計之一，在160－200mmwh水平部分裝甲甲板的下方是40mm的st52水密甲板，再往下並沒有像其它國家的戰列艦一樣布置主構造梁而是水平鋪設了一層構造加強筋，與裝甲甲板一同被作為艦體構造的組成部分，承擔和主構造梁相近的作用。此外，構造加強筋由彈性形變範圍剛好比wh鋼略大一點的st52鋼製成，可以隨著wh裝甲板一同發生彈性形變並分擔抗拉峰值受力，再隨著wh裝甲板一同恢複，以此提高整個水平結構的防禦力，加強這道保護動力艙和彈藥庫的最後防線。
“俾斯麥”級前後各有兩座3聯裝的460m／a裝甲鋼圈，炮座在艦內從160mm上裝甲甲板到200／a裝甲鋼圈，外圍側麵受到290－640／a舷側裝甲和60mmwh內部縱向裝甲的保護，總厚度為7901140mm，防禦能力高於炮座露天部分。