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防护和生存力一直都是德国军舰最显着的性能强项，这与德国海军的设计思想有关，从前无畏时代起，德国军舰一直就是世界上最重视防御的军舰。德国人不仅在技术上强化了军舰的防御，也在设计取舍上加大了军舰防御的优先性：“俾斯麦”级是二战时代建成战列舰中装甲比重最大的战列舰，不含炮塔旋转部分的装甲总重量就达到了标准排水量的41．85％；也是二战时代防护尺度最大的战列舰，主装甲堡侧壁覆盖了70％的水线长度和全部的干舷高度。
“俾斯麦”级战列舰主要使用了以下几种钢材建造：
St42造船钢，于1931年在传统的二号造船钢基础上改进而成，用于建造俾斯麦的上层建筑和非装甲舱段舰体结构。其硬度为140－160HB，抗拉强度为420－510MPa，屈服强度为340－360MPa，弹性形变范围21％，性能不低于其它国家的同类产品。
St52造船钢，于1935年在着名的三号造船钢基础上改进而成，用于建造俾斯麦的装甲舱段和轻装甲舱段舰体结构。其硬度为160－190HB，抗拉强度为520－640MPa，屈服强度为360－380MPa，弹性形变范围21％，同时具有极佳的韧性和延展性，具有很强的抗断裂和撕裂能力。虽然其较软的材质抵抗动能穿甲弹的能力较弱，但它拥有优秀的构造强度保持能力和优良的鱼雷爆破冲击波抵抗能力。
Ww高弹性匀质钢，于1925年在传统的KNC装甲基础上发明，用于建造俾斯麦的主防雷装甲。其硬度为190－220HB，抗拉强度为650－750MPa，屈服强度为380－400MPa，弹性形变范围25％。
Wh高强度匀质钢，于1925年在传统的KNC装甲基础上发明，其中的高性能部分被用于建造“俾斯麦”级的所有水平装甲和首尾水线装甲带以及内部纵横向装甲。其硬度高达250－280HB，抗拉强度为850－950MPa，屈服强度为500－550MPa，弹性形变范围20％。
KCn／A表面渗碳硬化钢，于1928年在传统的KC装甲基础上发展而成，用于建造俾斯麦的舷侧、炮座、炮塔立面、指挥塔立面装甲。其表面硬度高达670－700HB，递减渗碳深度为40－50％，基材硬度为230－240HB，基材抗拉强度为750－800MPa，基材屈服强度为550－600MPa。
在纵向俯视图上，“俾斯麦”级的舰体为纺锤形，中间最粗，向首尾两端以抛物线形逐渐变细，这种形态的舰体很容易获得可靠的构造强度。在横向上，由于布置了厚重的上部舷侧装甲和上装甲甲板，该舰在上甲板下方就布置了第一主构造梁，并在第二甲板下方布置了第二主构造梁，使该舰拥有双层舰体上部主构造梁，而不是象其它多数国家战舰那样在主水平装甲下方布置单一的主构造梁，这样做的好处是充分利用了25米高46．8米宽的全部舰体横截面的尺度布置主承力结构，最大限度的增加了承力结构的几何力矩从而提高了强度。
“俾斯麦”级全舰分为44个主水密隔舱段，从第6到第38舱段为主装甲堡区域，舰体主装甲堡长达246．15米，最宽处46．8米，保护了70％的水线长度和85％－90％的浮力以及储备浮力空间，这是任何同时期战舰也无法做到的大手笔。在巨大的舰体主装甲堡内，德国人又在纵向和横向上安装了多重装甲和水密隔板。以锅炉舱段下部舰体为例，除了两舷各拥有宽度为11米的防雷隔离舱外，内部又被分成三个并排布置的水密隔舱，每个隔舱内安放着两台高压重油锅炉，俾斯麦拥有两个这样的舱段，它们中间被一个副炮弹药库舱段隔开。在这样的布置下，一个锅炉舱进水，战舰只会损失六分之一的动力，来自一个舷侧方向的攻击最多只能让战舰的两个锅炉舱进水，损失三分之一的动力。此外，与其它国家的战列舰不同，依托大量的横向、纵向和水平装甲，该舰在主水平装甲以上的上部舰体内也设置了大量的水密隔舱。加上下部舰体，俾斯麦全舰被细分成数千个大小不一的独立水密隔舱，就像锅炉一样，该舰每个重要的子系统都被以尽可能降低风险的原理分隔放置在这些隔舱内。
“俾斯麦”级的防雷隔离舱在舯部深11米，向舰尾方向逐渐减至10米，向舰首方向逐渐减至9米，由44mmSt52船壳－空气舱－36mmSt52油舱壁－油舱—90mmWw主防雷装甲板－16mmSt52防水背板构成，为两舱四层钢板的布置结构。该结构在动力舱段的主防雷装甲后面没有设置完整的过滤舱，而在副炮弹药库和主炮弹药库舱段的主防雷装甲到弹药库壁之间，管线舱和下方的储藏舱一起形成了完整的过滤舱。整体上看，除了弹药库舱段的布置相对还算严密以外，与同时期其它国家战列舰的防雷结构相比较，“俾斯麦”级的结构要简单得多，设计要求也不高，仅仅为抵御500kgTNT的水下爆破。但德国海军在1944年11月12日关于“提尔皮茨”号损失的222－45号技术报告上指出它的TDS能抵挡600kg德国hexanite烈性炸药的水下爆破，可以认为这是该级战舰防雷系统的实际准确防御水平。
“俾斯麦”级的主装甲堡长达246．15米，覆盖了70％的水线长度，装甲堡侧壁从水线以下6米多处一直延伸到上装甲甲板，在整个舷侧立面的常见被弹部分都布置了厚重的装甲，是二战时代装甲覆盖面积比例最大的战列舰。其上部5．2米高的舷侧装甲带由厚达290／A钢板制成，与100－160mm的Wh上装甲甲板一同保护着整个位于主装甲堡上部舰体内的水兵生活和工作区，可以抵挡重巡洋舰的炮弹和中小型航空炸弹。中部是位于水线上下的640／A钢板制成的主舷侧装甲带，可以在正常交战距离以材料质量优势独自抵挡大部分战列舰的炮弹。在吃水19．6－20．8米的作战常态重量时，俾斯麦高10．4米的640mm主舷侧装甲有5．5－6．4米被埋在了水下，在640mm主舷侧装甲的下方，还有一道高1．2米均厚为340mm的主舷侧装甲下沿，使该舰拥有深入水下达6．4－7．6米的舷侧装甲，为其提供了良好的水下防弹能力，炮弹必须在水中穿行很长的距离击中更低的位置才能穿过44mm船壳进入防雷吞噬舱和吸收舱，这时后面的90mm主防雷装甲板已经能够独立抵挡。
在舰体主装甲堡内，位于主装甲甲板以下的空间，设置有16道由厚达40－120mm的Wh钢板制成的横向内部装甲墙，它们也被同时作为舰体横向构造的一部分。16道装甲墙和首尾两端640mm厚的横向外装甲墙共同把“俾斯麦”级主装甲堡内的下部空间分为18个重装甲舱段，其中的12道，以60mm的厚度又延伸到上部舰体内，和首尾两端200－440mm厚的横向外装甲墙共同把主装甲堡内的上部空间也分为14个重装甲舱段。即使有战列舰炮弹或穿甲炸弹射入其中爆炸，弹片受到这些内部装甲的阻挡，破坏力也会被控制在较小范围的空间内。
“俾斯麦”级的舰首和舰尾水线部位分别设有120mm和160mmWh钢制成的轻装甲带，它们会在舰体受到攻击的时候尽可能的保持水线外形的整体完整度，防止舰体表面发生大面积破碎。二战时代的大部分新式战列舰都采用了重点防护的方式布置装甲，这是因为它们的装甲比重小，没有多余的装甲去防护非致命部位，保证重点部位不被击穿，是首要的。
二战时代大部分国家的军舰主水平装甲都是布置在主舷侧装甲上方，与主舷侧装甲上方边缘连接，构成一个密闭的装甲盒。德国军舰则不同，它采用了一种叫做装甲堡延展结构的装甲布置方式，其主水平装甲位于主舷侧装甲一半左右位置的腰部，在靠近舷侧的两端以小俯角向下倾斜，延伸到主舷侧装甲的下部位置与之相连，这样的主水平装甲在横截面上看起来是一个穹顶，被称为“穹甲”。穹甲顶部位于水线附近，在军舰处于作战常态排水量的时候则往往位于水线以下，这就使得敌方炮弹在穿过其主装甲带后还必须再穿过这层装甲，才能进入德舰的机舱、锅炉舱、副炮弹药库和主炮弹药库。虽然穹甲布置缩小了舰体核心舱室的空间高度，但这个问题往往在德舰舰体主装甲区的巨大长度上得到弥补，从而保持了德舰核心舱室的空间总量。以俾斯麦战舰为例，其460mm主炮弹药库，锅炉、轮机、150mm副炮弹药库，105mm、37mm和20mm高炮弹药库，锅炉舱到轮机舱的蒸汽输送管道，贯穿全舰的纵向主电缆通道全部布置在了160－240mm穹甲的下方，容纳的设施比大部分其它国家的新式战列舰还多。
德国战列舰没有设置两用甲板的习惯，它们采用了装甲甲板和水密甲板分离的传统布局。“俾斯麦”级位于机舱和弹药库上方的舰体水平结构有三层，第一层由柚木＋100－160－mmWh装甲甲板＋20mmSt52水密甲板+第一主构造梁构成；第二层由40mmSt52水密甲板＋第二主构造梁构成；第三层是该舰上为数不多的创新设计之一，在160－200mmWh水平部分装甲甲板的下方是40mm的St52水密甲板，再往下并没有像其它国家的战列舰一样布置主构造梁而是水平铺设了一层构造加强筋，与装甲甲板一同被作为舰体构造的组成部分，承担和主构造梁相近的作用。此外，构造加强筋由弹性形变范围刚好比Wh钢略大一点的St52钢制成，可以随着Wh装甲板一同发生弹性形变并分担抗拉峰值受力，再随着Wh装甲板一同恢复，以此提高整个水平结构的防御力，加强这道保护动力舱和弹药库的最后防线。
“俾斯麦”级前后各有两座3联装的460m／A装甲钢圈，炮座在舰内从160mm上装甲甲板到200／A装甲钢圈，外围侧面受到290－640／A舷侧装甲和60mmWh内部纵向装甲的保护，总厚度为7901140mm，防御能力高于炮座露天部分。