В период 1927—1931 годы, линкор «Марат» подвергся более глубокой модернизации, с учётом предшествующего опыта модернизации линкора «Парижская коммуна»… Над уровнем верхней палубы была образована полубаковая носовая надстройка высотой 1,8-2,0 м, жёстко скреплённая с набором корпуса и замыкающаяся в верхней своей части, прочным палубным настилом. Были смещены назад бортовые якорные клюзы и образованы якорные ниши. Для увеличения дальности и точности прицельной стрельбы главным калибром, впервые, были оборудованы высотные, вращающиеся в горизонтальной плоскости, командно-дальномерные посты (КДП), закрытого типа. Первоначально, на «Марат» установили только два КДП — носовой и кормовой (впоследствии, были оборудованы ещё два дополнительных носовых КДП закрытого типа). Каждый КДП был оборудован: оптическим визиром центральной наводки (ВЦН) и двумя «6-ти метровыми» дальномерами, включёнными в состав приборов управления артиллерийским огнём, системы Гейслера. В соответствии с боевым расписанием, внутри КДП находились: визирщик, дальномерщик, и управляющий артогнём. Главный носовой КДП, имея значительную массу, распологался на топе мощной, цилиндрической, башенноподобной фок-мачты, при установке которой, большим изменениям подверглись элементы комплекса носовых надстроек: «боевая рубка-фок-мачта-носовая дымовая труба». Для установки кормового КДП, комплекс кормовых надстроек: «грот-мачта-кормовая ходовая рубка-кормовая боевая рубка», также подвергся изменениям, но в меньшей степени. Носовая дальномерная башня была установлена вместо изначальных носовой ходовой рубки и фок-мачты. Элементы носовых надстроек, расположенные в узком пространстве между первой и второй артиллерийскими башнями, с учётом расположения их погребов боезапаса, были реконструированы. В частности: носовая боевая рубка, мостики, (возрождён крытый брезентом носовой ходовой мостик, упразднённый, ещё во время постройки корабля); дымовая труба в своей верхней оконечности, выполнена с ещё большим отгибом назад. Кормовой КДП, был оборудован на достроенной в высоту, кормовой ходовой рубке расположенной между грот-мачтой и боевой рубкой… Для уменьшения «задымления» постов, расположенных на носовых надстройках, верхней оконечности передней дымовой трубы был обеспечен увеличенный отгиб назад, по сравнению с линкором «Парижская коммуна»… Вместо 25 котлов типа Ярроу на комбинированном угольно-нефтяном отоплении, были установлены 22 котла того же типа, полностью переведенные на нефтяное отопление. Котлы главной энергетической установки размещались в двух котельных отделениях, по три котла и в четырёх отделениях по четыре котла. После модернизации, силуэт корабля значительно изменился, новые надстройки гармонично вписались в базовую компоновку, придав советскому линкору, индивидуальный, весьма грозный внешний вид, на уровне современных на то время, представлений о боевой мощи корабля… Однако, носовая цилиндрическая дальномерная башня, перегруженная в своей верхней оконечности площадками и КДП, оказалась недостаточно жёсткой, на некоторых скоростях движения корабля, она вибрировала… Это неблагоприятно влияло на условия работы боевых постов…Во избежании больших переделок, на «Марате» ограничились местной аммортизацией приборов, установленных как в КДП, так и на других боевых постах, находящихся внутри носовой мачты. Кроме того, при движении корабля, носовая мачта с мостиками, создавали мощные завихрения, и дым из носовой трубы, попадая в области разрежения, окутывал КДП и другие посты, создавая помеху в управлении кораблём и артиллерийской стрельбой.

Третьим, был модернизирован ЛК «Октябрьская революция» или как её неофициально называли — «Октябрина». Модернизация производилась в ходе планового капитального ремонта на Балтийском заводе, в период 1931—1934 гг. (1934—1936 гг.) Проект модернизации учитывал положительный и отрицательный опыт реконструкции линкора «Марат»… в процессе проектирования был использован метод макетного моделирования комплекса: «боевая рубка- фок-мачта- носовая труба». При сохранении принципиальных направлений модернизации линкора «Марат», реализованные технические решения при производстве работ, содержали элементы новизны. В частности: конструкция башенного типа, цилиндрической грот-мачты была пересмотренабыла, её жёсткость была увеличена за счёт придания ей конической формы, обеспечивающей увеличение площадей поперечных сечений в осовании, а также, за счёт обеспечения силовой увязки носовой и кормовой дальномерных башен с боевыми рубками а носовой башни, ещё и с передней дымовой трубой, дополнительными горизонтальными связями, образуемыми силовыми, многоярусными горизонтальными консольными площадками… Это достигалось «наращиванием» высот, боевых рубок и обеспечивало возможность смонтировать на их верхних основаниях, дополнительные силовые площадки для установки зенитных огневых точек. Грот-мачта, так же была увязана в силовом отношении с кормовой дальномерной башенной надстройкой, что обеспечило возможность смонтировать на ней, весьма громоздкую стрелу катапульты, ферменного типа, для размещения бортового гидросамолёта. Передней дымовой трубе был обеспечен, по сравнению с ЛК «Марат», более увеличенный отгиб назад… Изменения коснулись организации монтажных работ, в ходе которых, часть оборудования, включая дымовую трубу, монтировались на корабль в собранном виде при помощи кранов. В ходе испытаний, было установлено, что коническая носовая башня КДП достаточно жёсткая и не вибрирует. Внутри расширяющегося к основанию части мачты оказалось возможным разместить походные рубки для флагмана и командира и ряд боевых постов артиллерийской боевой части. По сравнению с линкором «Марат», были внесены изменения в энергетическую установку. Вместо 25 котлов, в шести котельных отделениях установили 12 котлов имеющих большую паропроизводительность, за счёт увеличенной поверхности нагрева, на нефтяном отоплении, ранее предназначавшихся для линейных крейсеров типа «Измаил». Уменьшение количества котлов, обеспечило возможность сократить объём котельных отделений. Переход на нефтяное отопление, в ещё большей степени, обеспечил: возможность уменьшить объём хранилищ для топлива; ликвидировать угольные ямы с каналами для подачи угля к котлам, расположенными ниже ватерлинии, тем самым повысить непотопляемость корабля; высвободить отсеки, ранее используемые для запасов угля и переоборудовать их в дополнительные помещения для личного состава, численно возросшего до 1546 человек. Были дополнительно оборудованы: зрительный зал, библиотека, Ленинская каюта, читальня, улучшены условия обитаемости в матросских кубриках, сокращено количество подвесных коек. В процессе модернизации, в целях упрощения и увеличения надёжности турбинных двигателей, были демонтированы турбины крейсерского хода, как неоправдавшие своё предназначение. В электромеханической боевой части был создан новый командный пункт энергетики и живучести (ПЭЖ), с оборудованием его аппаратурой для опытного определения остойчивости корабля, крен которого задавался затоплением цистерн по командам из ПЭЖ, где непосредственно замерялись наклонения и дулировались данными, поступающими из отсеков, оборудованных весками.

С учётом практики флотов ведущих морских держав, в 1920-1930-х гг., широко внедряющих на крупных кораблях вспомогательные авиационные средства, линкору был придан один гидросамолёт, для разведки и корректировке стрельбы, способный производить взлёт и посадку на воде. В походном положении, гидросамолёт крепился на крыше третьей башни. Для его спуска на воду и подъёма на борт, на грот-мачте были смонтированы поворотные ферменные кран-балки, используемые так же для спуска на воду и подъёма бортовых баркасов и паровых катеров, установленных по бокам от кормовой надстройки. От катапультной установки, с учётом опыта её эксплуатации на линкоре «Парижская коммуна» — отказались. Однако громоздкие фермы кран-балок, так же не прижились, они мешали стрельбе третьей башни в кормовых курсовых углах. Накануне Великой Отечественной Войны, кран-балки были демонтированы, а вместо них, с учётом опыта повторной модернизации линкора «Парижская коммуна», на грот-мачте смонтировали более компактную и лёгкую стрелу.

В ходе модернизации, на корабле были установлены современные, на уровне 1930-х гг., средства радиосвязи.

В результате модернизации значительно улучшилась мореходность корабля, увеличилась дальность плавания. Полное водоизмещение возросло до 31275 т. Однако, вследствие увеличения мощности турбинных двигателей с 42000 до 61000 л.с., скорость полного хода снизилась незначительно. Остойчивость снизилась, вследствии некоторого повышения положения центра тяжести линкора. В 1941 году, на линкор была установлена система размагничивания, аналогичная установленной в 1938 году, на линкоре «Марат».