在主装甲带以上的上层甲板到露天甲板的中央装甲堡范围内，舷墙板结构采用145毫米克虏伯渗碳钢，用以保护通往炮塔底座甲板和主装甲带甲板的舱室和通道。包括水上飞机库在内，都设在这个装甲带内。设计标准是“防护重型被帽穿甲弹和轻型炮弹”。1940 年的所谓重型被帽穿甲弹射穿145 毫米克虏伯渗碳钢并没有困难，德国人的防护更多是指被射穿后，穿甲弹存能不足以再穿透炮塔底座220 毫米的装甲，以及爆炸的威力不足以破坏弹药舱的120毫米顶部装甲和机舱80毫米顶部装甲结构，而且爆炸不会造成舷墙和隔舱壁损毁。60 毫米和80毫米的装甲主要用于中央堡的垂直防护装甲带以外的舰体水线部位，从中央堡主装甲带伸延到舰艏为80 毫米的沃顿哈特装甲钢，主装甲带到舰体艉水线部位为60 毫米。这些部位更注重防护鱼雷和水雷的爆炸性损害，60 至80毫米的装甲防护加上密集的箱型结构，对爆炸性战斗部有很好的防护作用。
    “俾斯麦”号的防护不仅体现在装甲板的厚度和位置上，更重要的是甲板和舱室安排。弹药舱是最重要的部位，一旦被击中，战舰就将彻底毁灭。在近代和现代的海战中，被击中弹药舱而引起战舰毁灭的战例层出不穷，因此弹药舱的防护是当时最重要的。德国在战舰弹药舱室防护方面一直很独到，被
击中弹药舱的事情很少发生在德国舰队中。“俾斯麦”号主炮弹药舱都布置在处于水线以下的底舱，而且弹药舱顶部的甲板位于水线以下并采用倾斜布置，厚度达120 毫米，与外舷主装甲带320毫米的装甲和炮塔底座的220毫米装甲连成一体。在炮塔底座装甲到外舷主装甲带之间，还有一道垂直的30 毫米装甲墙，这道装甲墙一直从露天甲板向下伸延到战舰底部，专门防护穿透主装甲带的重型被帽穿甲弹战斗部以及鱼雷爆炸冲击，同时也加强了战舰纵向结构强度。这使得水面舰艇的火炮无论从任何角度射击，都不可能直接命中“俾斯麦”号弹药舱，也不会直接命中弹药舱的防护装甲。
    第一次世界大战中，对战列舰的轰击可以先摧毁战舰舷结构，然后直接射击内部装甲结构，而薄壳的战列巡洋舰往往会被一弹洞穿。英国战舰对“俾斯麦”号的轰击中，始终没有造成舰体主装甲带上的大破口。“俾斯麦”号水线下的重要部位处于战舰纵面的中心位置，有装甲墙板防护。装甲墙板与外舷之间是吸收爆炸能力的箱型结构，布置了密集的肋骨和支撑，同时这些空间作为油柜和淡水柜。 装甲带下的水下船体结构主要是防鱼雷间隔，大量密集的横向支撑和吸收爆炸能量的间隔空间布置在舰体外壳与内部装甲墙板之间，当鱼雷在舰壳外起爆时，横向支撑会变形，吸收爆炸能量，而作为水柜和油柜使用的间隔空间中的燃油和淡水充当液体介质，缓冲爆炸冲击。德国人认为水下部分遭受爆炸不会引燃油料，事实证明这个设想是正确的。在与“胡德”号和“威尔士亲王”号的对射中，“俾斯麦”号舰体舯部水线下结构破损，造成了漏油且海水污染部分油柜内的燃油，并没有发生油料爆燃。从命中位置看，“威尔士亲王”射来的381 毫米炮弹是近弹和着水后延时引信起爆才可能造成装甲带以下的结构破损漏油，直接命中无法射中油柜结构。而从“皇家方舟”号上起飞的“剑鱼”式鱼雷轰炸机投下的鱼雷中，命中侧舷的都只能造成外舷和装甲板之间的肋箱结构破损，没有引起浮力和整个舰体的致命破坏，“俾斯麦”号被航空鱼雷击中后，一直照常航行。而“剑鱼”式鱼雷轰炸机最大的作用是随后摧毁了“俾斯麦”号的船舵和推进器，导致战舰失控。
    “俾斯麦”号的抗沉结构除装甲和纵隔舱结构外，更主要的是横隔舱结构。战舰共划分为22个防水隔舱壁，其中17 个位于中央堡装甲带之中。侧舷装甲带能够限制爆炸破口不会扩大，不会像“泰坦尼克”号那样整个隔舱段进水，仅仅是个别舱段的舷侧部分舱室进水，占整个隔舱段的三分之一，不至于影响战舰浮力。克虏伯渗碳钢用于中央装甲带的最前端和后端，使装甲带成为一个封闭的盒状结构，从主甲板延伸到下层底舱甲板，不过在不同甲板层厚度不一。战斗甲板为1 4 5 毫米，而上层甲板为220 毫米，中层甲板为180 毫米。从前方和后方射来的重型穿甲弹穿透战斗甲板后，需要连续洞穿60至80毫米的水平装甲甲板或艉部、艏部舷板才能触及垂直的隔舱甲板，实际上这么长的空间距离和穿透层次造成的迟滞，被帽穿甲弹的引信早已起爆。


    水平防护通常指甲板的装甲和相关结构。“俾斯麦”号装甲甲板主要是露天上甲板和水线甲板。80 毫米厚度的露天上甲板覆盖全船，在通常的远程重型舰炮射击时，甲板的弹着角度通常约为40 度左右，此时80毫米装甲板相当于124 毫米厚度的装甲。在重型穿甲弹打击下，结构不会发生塌陷，因此甲板支撑结构非常重要。“俾斯麦”号的甲板支撑梁长度被装甲舷板和中部装甲墙分为三部分，长度短且垂直支撑强度大。相比之下，日本和英国战列舰通常是依靠支柱和纵向隔板支撑珩梁，强度相对小，而且这些非装甲结构在爆轰作用下容易垮塌，这也是“俾斯麦”号比日本战列舰坚固的原因。
    水线甲板为第三层甲板，这层甲板装甲采用传统弓背型结构。这种弓背结构在早期的装甲舰和装甲巡洋舰上用于中央装甲堡的顶部防护，也称为“穹型装甲结构”或“穹甲”。“ 穹甲”是非常形象的描述，这种水平防护结构早期类似龟背的弧形，而“俾斯麦”号上为斜甲板和平甲板共同组成“穹甲”。第三层甲板在左右两道纵向装甲墙之间为平甲板装甲，作为该层舱室地板。因为第三层地板实际稍高出水线，为使水平装甲与侧舷装甲带的接合部在水线以下，以保证任一时刻对击中船体的炮弹任何时候都有两重装甲防护，所以从装甲墙到侧舷装甲带之间的穹甲成斜面，连接装甲带最下沿。轮机舱顶部装甲厚度为80 毫米，而弹药舱顶部装甲厚为95 毫米，装甲墙到侧舷装甲带斜面厚110 至120毫米。
    防护的另一个重点是炮塔，主炮炮塔是容易中弹的部位。“俾斯麦”号上的4 座主炮塔正面装甲厚度为360毫米，炮塔座圈装甲厚度为340毫米，侧面为220毫米，斜顶和顶部装甲分别为150 毫米和130 毫米。最有特色的是炮塔后部装甲厚度为320 毫米。欧美和日本海军认为在交战时，主炮通常要正对交战目标，此时敌方射来的炮弹易命中炮塔正面或顶部，因而其海军炮塔后装甲通常较正面装甲薄弱，与侧面装甲厚度相当。而30 年代的德国认为，与英国等这些海上强国交战，弱小的德国海军战舰数量有限，在与数量占优势的敌方舰队对抗时，极可能两侧舷同时作战，因此部分朝一侧射击的炮塔后部将暴露在另一侧敌人的炮火之下。加强炮塔后部装甲，与德国海军这种舰炮作战思想密切相关。
    副炮炮塔主要采用40至100毫米的克虏伯渗碳钢装甲，其中炮塔正面装甲厚度为100 毫米，座圈装甲厚度为80毫米，侧面、顶部及后部为40毫米厚度。“俾斯麦”号副炮布置在上层建筑侧面，只具有对舷侧的射角，因而在炮战中不存在后部暴露问题。其他小口径火炮主要偏重于对破片的防护，海战中炮弹击中舰体后，常常造成暴风雨般的破片横扫甲板。多数小口径火炮采用20毫米装甲防护破片，这种炮塔防护不能抵御中小口径炮弹的直接命中。
    “俾斯麦”号的设计对于重要的指挥和航行部位的防护也是非常周到的。舰上前后各设有射击指挥所，舰桥上还有航海舰桥和指挥舰桥，由于位置高，装甲厚度仅为60 毫米。战列舰通常设有1 至2 个航行和指挥的司令塔，内部有舰长指挥通信和航行操舵设备。“俾斯麦”号的前司令塔设在航海舰桥下层，为350 毫米厚的克虏伯渗碳钢装甲墙，顶部厚度为220 毫米。如此厚度的装甲防护若非战列舰大口径舰炮直接命中是难以摧毁的，但高爆战斗部同样能够造成司令塔内层钢装甲崩落杀伤人员。战舰后桥的司令塔装甲墙厚为150 毫米，顶部装甲厚度为50毫米。前司令塔有通道直接连接装甲带甲板，这个垂直通道仅有1 米宽度，而装甲墙厚达220毫米；而后司令塔同样也有垂直通道通往装甲带甲板，采用50 毫米装甲。
    前桅楼顶部的测距仪和雷达转塔装甲墙采用200毫米厚的克虏伯钢，顶部装甲厚度为100 毫米。这个设计方案保障了足够的防护和全舰重心不至于偏高，大口径主炮很少能击中主桅楼顶上的装置。后雷达测距仪转塔位于后舰桥顶部，位置较前塔低得多，采用100 毫米装甲墙和50 毫米顶装甲。

★ 火控系统
 “俾斯麦”号对“胡德”号的精彩炮战中，齐射命中率非常高，精良的火控系统作用巨大。“俾斯麦”号的主炮副炮射击指挥所在前后桅楼设有两处。前桅楼顶端安装有FuMO23型雷达和大型光学测距仪，FuMO23 雷达的矩形天线高2 米，宽4 米，工作频率为368兆赫，波长约为81 厘米，最大作用距离约为25 千米。这种雷达性能本来完全能够在天气恶劣的情况下搜索水面，但德国的雷达设计没有采用方位显示器（也就是所说的P型显示器），仅有距离显示器，方位依靠天线底座的同步感应器驱动机械方位显示盘指示，因此这种雷达在对多个目标和曲折的海岸探测时非常繁琐，方位雷达仅能针对单个的目标才具备清晰的目标舷角关系，因此这种雷达只能用作火控目标指示。81 厘米波长测量误差偏大，但能够满足战列舰在25千米距离上的齐射火控性能。德国海军也没有打算把这种雷达用在更复杂的探测场合，只是将天线与10.5米光学测距仪安装在一起仅仅用于火控。联合基座能够旋转360 度，从战舰最高点环视海面。FuMO23 雷达没有P型方位显示器的原因之一是德国N粹高官们认为这种装置过于复杂和奢侈，这是“俾斯麦”号设计上的一个重要缺陷，利用P 型显示器至少能够了解更复杂的海面态势。
 德国海军采用两个这种FuMO23雷达和10.5米测距仪转塔来进行两个主要射向的火控。在“俾斯麦”号后舰桥上，同样布置了1 部转塔，通常承担控制后部主副炮对第二个目标的射击指挥，或者在前桅楼雷达测距仪转塔被摧毁时，作为全舰火力的射击指挥备份。前桅楼柱型装甲结构一直向下伸延到装甲甲板下的火控解算舱。后部舰桥正下方的装甲带甲板同样设置了解算舱（所谓的解算舱实际是多炮塔的射击指挥仪舱）。德国的机电式射击指挥仪非常庞大和复杂，能够直接连接主炮塔控制机电气柜控制主炮塔，同时解算结果用机电刻度盘显示在相关指挥舱室。但是其精度和可靠性依旧非常高，在整个作战过程中，最后时刻残存的射击指挥仪仍在发挥作用。除测距仪雷达转塔安装了10.5 米光学测距仪外，主炮炮塔也安装了独立的10.5 米测距仪，便于在指挥转塔失效后，继续按炮长电话口令进行测距和火控射击，但此时火控弹着散布要大很多。A 炮塔的10.5 米测距仪在1940年底至1941年初训练中被损坏，到5月执行“莱茵河”计划出航时，也没有修好重新安装，因此在交战中，“俾斯麦”号A 炮塔缺测距仪。150 毫米副炮炮塔安装有独立的6.5 米光学测距仪，对空射击的火控站分别有4 处, 两处在主桅楼两侧,有球型防护罩，另两个沿舰体纵轴线布置在后上层建筑顶部，4 处对空火控站都装有4.5 米测距仪。按照“俾斯麦”号的防空武器配置，4 处火控站能够指挥对4 个目标的对空火力。105 毫米高炮有随动系统，可以分别与相应的火控站连接进行自动控制，而其他中小口径高炮则只能采用电话和人工操作。150 毫米副炮参与对空射击时由炮塔测距仪或前后雷达测距仪转塔进行火控，在同时发生交战的情况下，主副炮都无法腾出转塔进行对空火控。
 火控和射击组织的原则是尽可能用尽量多的火炮齐射和尽可能快的发射速度，并用尽可能几率大的射击方式，而射击指挥仪则要在尽可能远的距离上发现目标和完成测距。首轮齐射组织非常重要，对修正具有决定性作用。在40年代炮瞄雷达出现前，主要依靠对齐射的弹着观察进行诸元修正。一旦确认准确的方位距离，则所有主炮将一同按准确诸元进行齐射。同时航海长也将采用机动，尽力保证这个较为准确的方位距离在至少两轮齐射内近似不变。
 至2009年2 月，“俾斯麦”号战列舰那场惨烈的战斗正好过去了68年。这艘著名的战舰作为人类优秀工程思想的产物，对其重新回顾依旧意义非凡。