Линкоры типа «Севастополь» имели несколько нетипичную для дредноутов схему бронирования: бронёй закрывался почти весь надводный борт, за исключением сравнительно небольшого участка в корме.

Главный броневой пояс имел высоту в 5,06 м, из которых при проектной осадке над водой возвышались 3,06 м, но из-за перегруза кораблей и увеличившейся реальной осадки, броневой пояс уходил в воду почти на лишний метр, что снижало его эффективность. В районе цитадели, на протяжении 116,5 м, главный пояс имел толщину в 225 мм, в оконечностях, доходивших до носа и почти до самой кормы, его толщина уменьшалась до 125 мм. Верхний пояс имел высоту 2,26 м и простирался от траверза четвёртой башни до носа корабля, между носовым и кормовым траверзами его толщина составляла 125 мм, в носовой оконечности она уменьшалась до 75 мм, в районе кормовой оконечности верхний пояс отсутствовал. Броневые плиты закреплялись без подкладки при помощи болтов на прочном контуре, связанном с силовым набором корпуса. Главный пояс нижней частью опирался на специальную полку, принимавшую на себя его вес. Носовой броневой траверз имел толщину 50 мм, в середине корпуса переходя в барбет первой башни, имевший толщину от 50 мм в нижней части до 125 мм в верхней. Аналогичную схему имел и 125-мм кормовой траверз, переходивший в барбет четвёртой башни толщиной от 100 до 200 мм. Помимо наружных броневых поясов, вертикальное бронирование корпуса включало в себя продольные броневые переборки, проходившие по всей длине цитадели на расстоянии 3,4 м от борта и предназначавшиеся для защиты внутренних помещений от осколков снарядов, пробивших главный или верхний броневой пояс. Между нижней и средней палубами переборки имели толщину в 50 мм, а между средней и верхней — 37,5 мм.

Горизонтальное бронирование корпуса состояло из трёх броневых палуб. Верхняя палуба имела толщину в 37,5 мм и покрывала цитадель и носовую оконечность; в кормовой оконечности её толщина составляла лишь 6 мм. Средняя палуба над цитаделью имела толщину 25 мм в средней части корабля и 19 мм — в пространстве между бортами и продольными броневыми переборками. В носовой оконечности она имела толщину 25 мм по всей ширине корабля, а в кормовой — 37,5 мм по всей ширине, кроме участка над румпельным отделением, где она уменьшалась до 19 мм. Нижняя палуба в районе цитадели имела толщину в 12 мм, но в межбортовом пространстве она переходила в 50-мм броневые скосы, лежавшие на 12-мм стальной рубашке. В кормовой оконечности нижняя палуба была горизонтальной по всей ширине корпуса и имела толщину в 25 мм.

Поворотная часть башен главного калибра имела толщину бортовых и вертикальных стенок в 203 мм, тогда как задняя стенка, служившая противовесом, выполнялась из 305-мм бронеплиты. Крыша и днище подвижной части имели толщину в 76 мм. Неподвижное бронирование (барбет) башен имело толщину в 150 мм над верхней палубой и частично ниже неё, нижняя часть барбетов, доходившая до средней палубы, имела толщину в 75 мм. Исключение составляли крайние башни, у которых барбеты служили частью броневых траверзов. Лобовой сектор барбета первой башни имел толщину в 125 мм вместо 75 мм, а у четвёртой башни толщина этой части барбета составляла 200 мм, по некоторым данным — 125 мм. Казематы противоминного калибра были образованы 125-мм верхним броневым поясом и 50-мм продольной переборкой, тогда как их орудийные амбразуры защищались толькопротивоосколочными щитами. Помимо этого, казематы разделялись 19-мм и 25-мм поперечными броневыми переборками.

Бронирование стенок боевых рубок составляло 250 мм, крыши — по разным данным, 100 или 120 мм, также 70-мм броневыми кожухами защищались приводы управления. Кожухи дымовых труб защищались бронированием толщиной 75 в районе основания и 22 мм — в остальной части. Помимо этого, отдельную защиту имело румпельное отделение, заключённое в броневой короб из плит толщиной от 30 до 125 мм.

Специальной противоминной защиты корабли не имели, её роль лишь отчасти восполнялась двойными дном и бортом, доходившим до кромки главного броневого пояса и продольными 9-мм переборками из стали повышенного сопротивления. При вступлении в строй линкоры были оборудованы противоторпедными сетями, могущими при помощи 32 поворотных балок вывешиваться на стоянках, но уже к концу 1915 года они были сняты, как не оправдывающие себя.