“玛利亚皇后”级的装甲防护类型基本和“塞瓦斯托波尔”级舰相同，在某些方面又有所改进。主装甲带加厚到262.5毫米，背板覆有一层75毫米厚的不可燃木板。
1913年进行了装甲测试试验证明，“塞瓦斯托波尔”级的结构防御能力不足，装甲板中弹后，即使没有被击穿，其支撑结构也会因强度不足被破坏。因此，“玛利亚皇后”级除加装了起缓冲作用的木板外，还通过增加铆钉数目，装甲板边缘改用榫槽接合等方式来增加连接强度。
另外，“玛利亚皇后”的装甲带被加宽，一直延伸到龙骨处，这样舰体强度结构也可以用来强化装甲的连接。一系列改进造成军舰超重500-870吨，造价也增加了二十多万卢布。炮塔侧壁增加到250毫米，顶部装甲也加厚到125毫米。炮塔基座装甲上层甲板以上250毫米，以下125毫米。更暴露些的1、4号炮塔基座在上甲板以下的装甲厚度为125毫米。“玛利亚皇后”的水下防御系统和“塞”级一样，为向上延伸到侧舷的双重底结构，煤舱兼做防渗透舱。
“玛利亚皇后”和“叶卡捷琳娜大帝”号的舰首装有一具破雷网撑杆，从外观上看，非常象风帆舰船的斜前桅，是“玛利亚皇后”级最显著的外观特征。不过后来的试验证明破雷网基本无效，而且整套装置极易损坏。不久2艘舰就拆除了艏部的撑杆，“自由”号在舾装工程中就干脆放弃了破雷网系统。
1916年间，德国潜艇在黑海的活动越来越猖獗。为了保护“玛利亚皇后”号，黑海舰队司令部参谋К·Ф·科特林斯基上校曾经建议为其加装防鱼雷鼓出部。上级认为“玛利亚皇后”号的航速本来就已经很慢，再增加多余的舱室会进一步降低她的机动性。作为变通方案，黑海舰队希望从英国购买新式防鱼雷网增强军舰的水下防御能力。
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