防護和生存力一直都是德**艦最顯着的性能強項，這與德國海軍的設計思想有關，從前無畏時代起，德**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，也在設計取捨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％；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。其硬度爲１４０－１６０ＨＢ，抗拉強度爲４２０－５１０ＭＰａ，屈服強度爲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年在着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。其硬度爲１６０－１９０ＨＢ，抗拉強度爲５２０－６４０ＭＰａ，屈服強度爲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。其硬度爲１９０－２２０ＨＢ，抗拉強度爲６５０－７５０ＭＰａ，屈服強度爲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，抗拉強度爲８５０－９５０ＭＰａ，屈服強度爲５００－５５０ＭＰａ，彈性形變範圍２０％。
ＫＣｎ／Ａ表面滲碳硬化鋼，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、炮塔立面、指揮塔立面裝甲。其表面硬度高達６７０－７００ＨＢ，遞減滲碳深度爲４０－５０％，基材硬度爲２３０－２４０ＨＢ，基材抗拉強度爲７５０－８００ＭＰａ，基材屈服強度爲５５０－６００ＭＰａ。
在縱向俯視圖上，“俾斯麥”級的艦體爲紡錘形，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，由於佈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佈置了第一主構造樑，並在第二甲板下方佈置了第二主構造樑，使該艦擁有雙層艦體上部主構造樑，而不是象其它多數國家戰艦那樣在主水平裝甲下方佈置單一的主構造樑，這樣做的好處是充分利用了２５米高米寬的全部艦體橫截面的尺度佈置主承力結構，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”級全艦分爲４４個主水密隔艙段，從第６到第３８艙段爲主裝甲堡區域，艦體主裝甲堡長達米，最寬處米，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爲例，除了兩舷各擁有寬度爲１１米的防雷隔離艙外，內部又被分成三個並排佈置的水密隔艙，每個隔艙內安放着兩臺高壓重油鍋爐，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。在這樣的佈置下，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，依託大量的橫向、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，該艦每個重要的子系統都被以儘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，爲兩艙四層鋼板的佈置結構。該結構在動力艙段的主防雷裝甲後面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，除了彈藥庫艙段的佈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，僅僅爲抵禦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，可以認爲這是該級戰艦防雷系統的實際準確防禦水平。
“俾斯麥”級的主裝甲堡長達米，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，在整個舷側立面的常見被彈部分都佈置了厚重的裝甲，是二戰時代裝甲覆蓋面積比例最大的戰列艦。其上部米高的舷側裝甲帶由厚達２９０ｍｍ的ＫＣｎ／Ａ鋼板製成，與１００－１６０ｍｍ的Ｗｈ上裝甲甲板一同保護着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６４０ｍｍ厚米高的ＫＣｎ／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－米的作戰常態重量時，俾斯麥高米的６４０ｍｍ主舷側裝甲有－米被埋在了水下，在６４０ｍｍ主舷側裝甲的下方，還有一道高米均厚爲３４０ｍｍ的主舷側裝甲下沿，使該艦擁有深入水下達－米的舷側裝甲，爲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，這時後面的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，它們也被同時作爲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爲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爲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，破壞力也會被控制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儘可能的保持水線外形的整體完整度，防止艦體表面發生大面積破碎。二戰時代的大部分新式戰列艦都採用了重點防護的方式佈置裝甲，這是因爲它們的裝甲比重小，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佈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**艦則不同，它採用了一種叫做裝甲堡延展結構的裝甲佈置方式，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面上看起來是一個穹頂，被稱爲“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。雖然穹甲佈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。以俾斯麥戰艦爲例，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佈置在了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，它們採用了裝甲甲板和水密甲板分離的傳統佈局。“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+第一主構造樑構成；第二層由４０ｍｍＳｔ５２水密甲板＋第二主構造樑構成；第三層是該艦上爲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佈置主構造樑而是水平鋪設了一層構造加強筋，與裝甲甲板一同被作爲艦體構造的組成部分，承擔和主構造樑相近的作用。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，可以隨着Ｗｈ裝甲板一同發生彈性形變並分擔抗拉峰值受力，再隨着Ｗｈ裝甲板一同恢復，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４６０ｍｍ主炮塔，其炮座露天部分是厚６４０ｍｍ的ＫＣｎ／Ａ裝甲鋼圈，炮座在艦內從１６０ｍｍ上裝甲甲板到２００ｍｍ主裝甲甲板之間的部分是厚４４０ｍｍ的ＫＣｎ／Ａ裝甲鋼圈，外圍側面受到２９０－６４０ｍｍ的ＫＣｎ／Ａ舷側裝甲和６０ｍｍＷｈ內部縱向裝甲的保護，總厚度爲７９０１１４０ｍｍ，防禦能力高於炮座露天部分。