Формально имея самую толстую среди линкоров броню, «Ямато» не являлся самым защищённым. Японская металлургия 1930-х годов отставала от западной, а ухудшение англо-японских отношений сделало невозможным доступ к новейшим технологиям. Новая японская броня типа VH (Vickers Hardened) была разработана на базе британской VC (Vickers Cemented), производившейся в Японии по лицензии с 1910 г. По мнению американских специалистов, исследовавших эту броню после войны, её защитная эффективность оценивалась коэффициентом 0,86 по отношению к американской броне класса «A». Особо высококачественной британской броне CA японский образец уступал почти на треть, то есть для эквивалента 410 мм VH было достаточно 300 мм CA.

Отставание в качестве броневого материала в сочетании с огромными размерами проектируемых линкоров привело конструкторов к идее решения проблемы защищённости «в лоб», то есть за счёт максимального наращивания толщины брони. Линкоры типа «Ямато» бронировались по схеме «всё или ничего», подразумевавшей создание броневой цитадели, защищающей жизненно важные центры корабля, обеспечивающей запас плавучести, но оставляющей незащищённым всё остальное. Цитадель «Ямато» оказалась самой короткой среди линкоров постройки 30-х годов по отношению к длине корабля — всего 53,5 %.

Задавшись целью защитить линкор от любых снарядов, разработчики расположили рекордный по толщине бортовой пояс (410 мм) под углом 20°. Теоретически на дистанциях свыше 18,5 км он не пробивался никакими иностранными орудиями. Придавая особое значение попаданиям с недолётом, японцы разместили ниже главного ещё один броневой пояс толщиной 200 мм.

Толщина броневых траверзов была существенно меньше пояса, поскольку они располагались под углом 30°. Получившийся в итоге броневой ящик накрывался главной бронепалубой, имевшей также рекордную толщину — 200 мм в центральной части и 230 мм на скосах. Так как выше располагались лишь отдельные бронированные участки (перед передней и кормовой башнями), то судьба корабля при попадании бомб зависела лишь от единственной бронепалубы.

Совершенно фантастической выглядела броневая защита башен главного калибра. Толщина их лобовой плиты, наклонённой под углом 45°, составляла 650 мм. Считалось, что такая броня не может быть пробита даже при стрельбе в упор, однако американцы имеют на этот счёт своё особое мнение. Очень сильную защиту получили также крыши башен и барбеты. Остальные части корабля, за исключением боевой рубки и отделения рулевых машин, практически не бронировались.

При разработке проекта было уделено особое внимание обеспечению огневого превосходства над любым противником. На выбор были представлены лишь два варианта: 410-мм и 460-мм (в соответствии с калибрами, принятым на японском флоте для линкоров типа «Нагато» и разработанными для линкоров кораблестроительной программы 20-х годов, так и не построенными в результате подписания Вашингтонского договора). Было известно, что до вступления в силу этого договора США и Великобритания разработали несколько моделей 18-дюймовых (457-мм) орудий, в силу чего уже существующие 410-мм орудия были сочтены недостаточно мощными, и решение было принято в пользу 460-мм. Разработка этих орудий была начата в 1934 году и закончена к 1939. В целях сохранения секретности они именовались «40-SK model 94». Конструкция, в силу преемственности от разработки начала 1920-х годов, представляла собой сочетание современной скреплённой технологии с архаичной проволочной навивкой. Длина ствола составила 45 калибров, вес ствола — 165 тонн; всего было произведено 27 стволов. Заряжание производилась при фиксированном угле +3°, скорострельность в зависимости от дальности стрельбы составляла полтора — два выстрела в минуту. Каждая из трёх орудийных башен весила 2510 тонн.

С точки зрения баллистики была принята комбинация относительно лёгкого для такого калибра снаряда и высокой начальной скорости. Бронебойный снаряд «тип 91» имел вес 1460 кг и содержал 33,85 кг TNA. Его особенностями были специальный наконечник, позволявший сохранять траекторию движения в воде, и необычайно большое время замедления взрывателя — 0,4 секунды (для сравнения, взрыватель американского бронебойного снаряда Mk8 имел замедление 0,033 с. Снаряд рассчитывался на поражения вражеских кораблей при недолётах, но был не очень эффективен в обычных условиях, особенно при попаданиях в небронированные части кораблей. Тем не менее благодаря огромному весу и хорошим баллистическим характеристикам снаряд обладал высокой бронепробиваемостью. Начальная скорость составляла 780 м/с, максимальная дальность — 42 050 для 45 градусов (для самого орудия — чуть больше 42 110 метров при 48 градусах возвышения).

Ещё более необычным был снаряд «тип 3» весом 1360 кг. Фактически он являлся зенитным снарядом и содержал 900 зажигательных и 600 осколочных поражающих элементов. Впрочем, американские пилоты считали его «скорее эффектным, чем эффективным».

Оба снаряда были слишком специализированны. Некоторые источники сообщают о существовании фугасного снаряда («тип 0» с массой 1360 кг и 61,7 кг ВВ) для 460-мм орудий, но данных об этом в архивах не сохранилось, и японские линкоры не использовали такие снаряды в боях. Парадокс истории: лучшие японские линкоры оказались в положении русских в период русско-японской войны 1904—1905 — без фугасных снарядов и с облегчёнными бронебойными.