Główne uzbrojenie składało się z ośmiu dział kal. 305 mm, umieszczonych w czterech wieżach artyleryjskich, po dwie na dziobie i rufie, w superpozycjach. Maksymalny kąt podniesienia luf wynosił 13,5°. Artylerię średniego kalibru stanowiło 14 dział kal. 150 mm, zainstalowanych w kazamatach, po 7 na każdej burcie. Po pięć stanowisk z każdej burty mogło prowadzić ogień w kierunku dziobu, dwa pozostałe w kierunku rufy. Poza tym okręt posiadał cztery działa przeciwlotnicze kal. 88 mm na otwartych stanowiskach wokół tylnego komina. Wszystkie działa okrętu zostały wyprodukowane w zakładach Friedrich Krupp AG. Wieże artyleryjskie głównego kalibru były chronione pancerzem, który z przodu i z tyłu miał grubość 270 mm, z boków 220 mm, a z góry 80–110 mm. Barbety wież miały grubość do 260 mm. Artyleria w kazamatach była opancerzona płytami ze stali pancernej o grubości do 150 mm.
„Lützow” posiadał cztery podwodne wyrzutnie torped kal. 600 mm, zainstalowane po jednej na dziobie i rufie (po lewej stronie) oraz na każdej z burt prostopadle do osi podłużnej jednostki.