Проекты модернизации по корпусу рассматривались почти 12 месяцев, и в результате наиболее предпочтительным оказался самый смелый из них, предусматривавший не только изменение формы носа, но и увеличение ширины и длины корабля (хотя масштабные работы со снятием 150-мм орудий и заменой их и тяжелых зениток на 127-мм универсальные орудия «пробить» не удалось). В сущности не такая уж значительная добавка веса в 500 т позволяла одновременно увеличить остойчивость, мореходность и скорость на целых 2 узла! Из этих несколько ошеломляющих расчетов следует, насколько невыгодными были формы и размеры, диктовавшиеся жесткими рамками ограничения водоизмещения. Общий рост нагрузки предполагался примерно в 750 т, из которых 200 т приходилось на новое оборудование и добавочную противоосколочную защиту. В 1938 году Редер настоял на включение в планы годичной модернизации всех трех единиц. Первым с января 1940 года на верфь должен был отправиться «Шеер», за ним — «Шпее» и последним — «Дойчланд» (соответственно с июня и декабря 1942 года). Напряженная международная обстановка не позволила реализовать этот интересный замысел, а начавшаяся мировая война окончательно похоронила его. Хотя в итоге «Шеер» и «Дойчланд» претерпели довольно обширные модернизации, проведенные работы сильно отличались от запланированных.
Наиболее существенной перестройке за годы службы подвергся головной «Дойчланд». К его переделке пришлось приступить сразу после ввода в строй, поскольку некоторые виды вооружения имели явно временный характер. К 1935 году его 500-мм торпедные аппараты уступили место новым 533-мм, прикрытым легкими броневыми щитами. В 1934 году корабль получил КДП 88-мм зенитной артиллерии и одновременно — спаренные 88-мм пушки вместо одинарных. В конце того же года в ходе планового ремонта заменили вспомогательный паровой котел, а также переместили прожектор на мачте. (Сама мачта «обросла» дополнительным мостиком.) В ходе следующего зимнего ремонта с ноября 1935 года по январь 1936 года на «броненосце» появилась катапульта и устройства для приема второго гидросамолета. Следующее переоборудование совпало с большим ремонтом во второй половине 1937 года после попадания испанских бомб. Основные работы выполнялись внутри корпуса: подкреплялись основания дизелей и палуба платформы в районе энергетической установки, что несколько ослабило общую вибрацию на больших ходах. Произошли, однако, и изменения во внешнем виде — прожекторы по бокам от трубы переставили с трубчатых подпор на более легкий мостик, проходивший по самому верху трубы, а для того, чтобы на нем мог находиться персонал, саму трубу в 1938 году снабдили наклонным козырьком. По обе стороны (в нос и корму) от 150-мм установок появились выгородки, препятствовавшие распространению дульных газов при стрельбе. На топе передней мачты появилась антенна радиолокатора FuMG39. Годом позже на трубе установили наклоненный назад козырек. В 1939 году произошла замена радиолокатора на новый FuMO22; бипланы Хенкеля отправились на берег вместе с посадочным тентом, а их место заняли новые «Арадо-196».
После неудачного рейда в Атлантике в конце 1939 года зенитное вооружение «Дойчланда» дополнили четырьмя 20-мм автоматами МGС/30. Более значительное усиление ПВО было осуществлено при исправлении последствий торпедного попадания в апреле 1940 года, когда 88-мм зенитки уступили место 105-мм спаркам SКС/33. Тогда же бывший «Дойчланд», а отныне «Лютцов» получил наклонный «атлантический» нос, хотя и менее ярко выраженный, чем, например, на тяжелых крейсерах или больших линкорах, а общая длина его корпуса увеличилась тем самым примерно на 2 м.
В середине войны (1942 год) козырек на трубе заменили на более высокий и большой, а на крыше носовой башни появился счетверенный 20-мм автомат армейского образца. Второй «фирлинг» установили в том же или следующем году, одновременно заменив прожектор на мачте-надстройке на одиночный 20-мм автомат. Армейские четырехствольные установки просуществовали недолго; к 1944 году их сняли в ожидании аналогичных флотских автоматов на стабилизированных лафетах, которые, однако, попали на «Лютцов» не скоро. В последний год войны зенитное вооружение неоднократно менялось и усиливалось. Если в марте 1944 года оно состояло из исходных восьми 37-мм и одиннадцати одиночных 20-мм автоматов, то уже с августа того же года началась постепенная замена пушек обоих типов на одиночные 40-мм «бофорсы» (Flак-28). В конце 1944 года «броненосец» имел шесть «бофорсов», четыре 37-мм и двадцать шесть 20-мм автоматов. Часть одиночных 20-миллиметровок уступила место спаренным установкам LM-44 того же калибра, в дополнение появилось три мощных «фирлинга» морской модели со стабилизацией в трех плоскостях. Общее число 20-мм стволов достигло 28: 3 счетверенных, 6 спарок и 4 одиночных. Но и это вооружение не стало окончательным. В соответствии с программой единого перевооружения ПВО в 1945 году на «Лютцове» должно было быть десять 37-мм автоматов новой модели с высокими характеристиками, которыми предполагалось заменить «бофорсы» и уцелевшие 37-мм спарки, но, как и на большинстве других уцелевших крупных кораблей Кригсмарине, работы велись медленно и завершены не были.
По сравнению с головным кораблем серии «Шеер», более поздний и совершенный, менялся значительно меньше. Сколько-нибудь существенные модернизации начались в 1936 году, хотя и до этого при ежегодных ремонтах производились работы, оставившие следы в виде измененного рангоута и нового крана для подъема самолетов. Весной 1936 года для улучшения возможностей в ночном бою на нем оборудовали специальные платформы по бокам башенноподобной надстройки (на уровне командирского мостика), на которых установили по 3-метровому специальному дальномеру с большой светосилой для торпедной стрельбы в темноте. На других платформах, сбоку от трубы, появились два 20-мм автомата. 150-мм батарею оградили выгородками-щитами против действия дульных газов.
Значительные работы по машинной установке проводились летом 1939 года (переборка дизелей) и с февраля по июль 1940 года (укрепление оснований и перестройка моторных отделений). В результате сильно изменился внешний облик корабля. Место многогранной башенноподобной надстройки заняла трубчатая мачта по типу «Дойчланда», однако с совершенно другим расположением мостиков и платформ, буквально облепивших ее со всех сторон. Позади трубы появилась задняя мачта-тренога, а по левому борту установили новый кран. Корпус получил «атлантический» форштевень — наклонный и вздернутый, что уменьшило заливаемость носовой части, выявившуюся в ходе крейсерства. В то же время было установлено размагничивающее устройство и наклонный козырек на трубе, отводивший газы от мостиков и постов управления огнем в корму. "Карманный линкор" избавился от неудачных устройств — в частности, от посадочного тента для приема гидросамолетов и успокоителей качки, помещения которых приспособили для дополнительных топливных цистерн и кладовок. Во второй раз был заменен кран для подъема гидросамолетов. Изменилось и вооружение: 88-мм орудия уступили место 105-миллиметровкам SKC/33, исчезли 20-мм автоматы с платформ по бокам от трубы, а вместо них появились два четырех-ствольных «фирлинга» армейского образца (без стабилизации), один из которых разместился на крыше носовой башни, а второй — сразу за кормовой, за изломом полубака. В 1941 году заварили иллюминаторы в носовой части и добавили стеллажи для еще 2 запасных торпед. Тогда же на задней башенке управления «Шеера» появился радиолокатор FuMO-26.