Артиллерию главного калибра линкоров типа «Севастополь» составляли двенадцать нарезных 305-мм пушек конструкции Обуховского завода, размещавшиеся в четырёх трёхорудийных башенных установках, получивших в СССР обозначение МК-3-12. Орудие имело калибр в 304,8 мм при длине ствола в 52 калибра / 15850 мм, а его масса составляла 50,7 т. Затвор орудия — поршневой, конструкции фирмы «Виккерс». Орудие имело объём зарядной каморы в 224,6 дм³ и рассчитывалось на давление в канале ствола до 2400 кг/см², что позволяло обеспечить снарядам образца 1911 года начальную скорость в 762 м/с.

Расположение башен — линейное, углы обстрела установок на один борт составляли: 0…155° для носовой башни, 25…155° для второй и третьей башни и 25…180° для кормовой башни. Таким образом, все двенадцать орудий могли вести обстрел в траверзе ±65°, но носовой и кормовой сектора обстреливались лишь тремя орудиями. Вертикальные углы наведения изначально составляли от −5 до +25°, но на «Севастополе» в ходе модернизации 1933—1938 годов максимальный угол возвышения был увеличен до 40°. Наведение орудийной установки осуществлялось при помощи электродвигателей постоянной скорости вращения, работавших через гидромеханические регуляторы скорости, известные как «муфты Дженни» — одного, мощностью 30 л.с. для поворота башни и трёх, мощностью по 12 л.с. — для вертикальной наводки. Максимальная скорость горизонтальной наводки составляла 3,2 град/сек, вертикальной — 4 град/сек, на «Севастополе» в ходе упомянутой модернизации скорость вертикальной наводки была увеличена до 6 град/сек. Также в установке предусматривался ручной привод, при помощи которого могла обеспечиваться скорость горизонтальной наводки в 0,5 град/сек, для чего требовались усилия двенадцати человек, а время наведения в вертикальной плоскость с −5° до +25° при этом не превышало 45 секунд.

Боекомплект артиллерии главного калибра составлял 100 выстрелов на ствол и размещался в четырёх подбашенных погребах, разделённых каждый на две части. Погреба носовой и кормовой башен не вмещали весь боекомплект, поэтому часть его размещалась в запасных погребах, откуда они подавались в основные при помощи ручных талей. В погребах автоматически поддерживалась постоянная температура в 15—25 °C при помощи аэрорефрижераторов системы Вестингауз-Леблан. В ассортимент боеприпасов к орудиям входили бронебойные, полубронебойные, фугасные снаряды и шрапнель, а также практические ядра сталистого чугуна, служившие для учебных стрельб.

Выстрелы картузного заряжания состояли из снаряда и двух полузарядов. Снаряды и полузаряды из погребов сперва, при помощи нижних зарядников, поступали в перегрузочное отделение, откуда уже при помощи верхних подъёмников они попадали непосредственно к орудиям. Заряжание могло производиться при углах возвышения от −5° до +15°. Подъёмники и зарядное устройство имели электроприводы, также имелась независимая система заряжания с ручным приводом, требовавшая усилий четырёх человек для подъёма каждого снаряда. Техническая скорострельность составляла 1,8 выстрелов в минуту. Практическая скорострельность, в зависимости от тренированности расчёта, могла составлять от 1,5 до 2 выстрелов в минуту, при этом в случае продолжительной стрельбы она снижалась для носовой и кормовой башен из-за необходимости доставки боеприпасов из запасных погребов. С другой стороны, во всех башнях имелась возможность на некоторое время поднять скорострельнострельность путём предварительной загрузки части боеприпасов в перегрузочные отделения, откуда их требовалось только поднять к орудиям по верхним подъёмникам. На «Севастополе» при модернизации была установлена новая система заряжания с фиксированным углом заряжания в +6°, повысившая техническую скорострельность до 2,2 выстрелов в минуту, ценой отказа от резервной ручной системы.