Na wysokości górnej krawędzi głównego pasa znajdował się wewnętrzny pokład pancerny grubości 51 mm, tworząc wraz z poprzecznymi przegrodami cytadelę. W części dziobowej i rufowej, nie chronionej pasem, był jedynie wypukły pokład pancerny chroniący część podwodną. Opancerzone były ponadto wieże i barbety artylerii głównej i średniej.
Główny pas burtowy na „Sewastopolu” i „Połtawie” miał grubość od 184 do 368 mm, na „Pietropawłowsku” 203 do 406 mm, ale na „Połtawie” miał największą odporność, będąc zbudowany z wysoko odpornej stali pancernej Kruppa (na „Sewastopolu” jego centralna część składała się ze stali Harveya, a pozostały pancerz z jeszcze mniej odpornej , a na „Pietropawłowsku” – prawdopodobnie całość ze stali niklowej). Pomimo dużej odporności pancerza pasa głównego (zwłaszcza na „Połtawie”, przewyższającej pod tym względem wszystkie przeddrednoty), ogólna odporność i rozplanowanie pancerza ustępowało nowym konstrukcjom – nieopancerzone pozostały dziób i rufa na linii wodnej, a górny pas pancerny ze stali niklowej był dość słaby. Masa pancerza wynosiła ok. 26% wyporności. Istotną wadą okrętów, podobnie jednak jak wielu innych tego okresu, okazała się słaba ochrona przeciw wybuchom podwodnym, zwłaszcza możliwość wybuchu komór amunicyjnych, co spowodowało zagładę „Pietropawłowska”.