Основными элементами системы бронирования на "карманных линкорах" являлись наклонный пояс, броневая палуба, верхняя и нижняя броневые переборки. Броневой пояс имел по разным данным наклон 12° — 13,5° нижней кромкой в глубь корпуса. На «Дойчланде» он состоял из двух слоев плит практически одинаковой ширины, полностью прикрывавших пространство между верхней платформой и броневой палубой, а также примерно половину межпалубного расстояния между броневой и средней палубой (по нижний срез иллюминаторов). Верхний слой состоял из плит никелевой стали с содержанием никеля около 4 % толщиной 80 мм; его нижняя кромка срезана таким образом, чтобы образовывался плавный переход к нижнему слою толщиной 50 мм. Материал брони был не слишком высокого качества; он создавался по технологии, принятой в начале первой мировой войны. Его использование диктовалось финансовым положением немецкого флота и Германии в целом на конец 20-х годов. Указанную толщину пояс имел на пространстве между шпангоутами 42 и 136, прикрывая всю энергетическую установку и часть погребов. Далее в нос и в корму толщина верхнего ряда плит уменьшалась до 60 мм на протяжении остальной части хранилищ боезапаса (между шпангоутами 42 и 31). В корму от 31-го шпангоута пояс постепенно утоньшался: сначала шла узкая полоска в 50 мм на протяжении примерно 7 м, затем между шпангоутами 16 и 26–40 мм и далее к ахтерштевню до 6-го шпангоута — 30 мм. В носу от 154-го шпангоута бронирование борта было чисто символическим: толщина листов составляла всего 18 мм. Как уже указывалось при описании конструкции корпуса, вниз от броневой палубы до внутренней обшивки двойного дна параллельно поясу шла броневая переборка из той же никелевой стали толщиной 45 мм. Выше броневой палубы на расстоянии примерно трети ширины корабля от борта шла верхняя броневая переборка толщиной 10 мм, располагавшаяся строго вертикально и доходившая до верхней палубы. Главная броневая палуба в отличие от общепринятой практики не опиралась на верхнюю кромку пояса и не имела скосов, соединяющих ее края с нижней кромкой. Вместо этого она крепилась к середине верхнего ряда плит с помощью угольников, а основной опорой для нее служила нижняя продольная броневая перегородка. Толщина палубы резко варьировалась в зависимости от зоны: наибольшее значение она принимала в узком промежутке между вертикальной верхней и наклонной нижней броневыми переборками (45 мм); внутри от верхней переборки толщина уменьшалась до 30 мм, а вовне от нижней переборки палуба выполнялась из обычной кораблестроительной стали небольшой толщины, то есть не бронировалась вообще. В пределах барбетов горизонтальная защита уменьшалась до 15 мм. Верхняя палуба имела толщину 18 мм на всем протяжении цитадели (от 33-го до 154-го шпангоута) и 7 — 10 мм в корме. В кормовой части корпуса 30-мм броневая палуба проходила примерно на 1 м ниже, чем на миделе, прикрывая валопроводы и рулевое управление. «Дойчланд» имел 4 поперечных броневых траверза из никелевой стали: 30-мм на 6-м и 173-м шпангоутах и 60-мм — на 31-м и 149-м.
Таким образом, на возможных траекториях снаряда в жизненные части корабля стояли следующие преграды (снизу вверх): 1) внешняя обшивка буля + 50-мм наклонная плита пояса + наклонная 45-мм переборка; 2) 80-мм пояс + 45-мм переборка; 3) 18-мм верхняя палуба + 80-мм пояс + 45-мм палуба (при больших углах падения снаряда в некоторых случаях — только палубы); 4) 18-мм верхняя палуба + 10-мм вертикальная переборка + 30-мм палуба. Легко заметить, что эта система обеспечивала хорошую по меркам начала 30-х годов защиту, от 90 до 125 мм суммарной толщины брони при комбинации горизонтальных и вертикальных (большей частью наклонных) преград. Сравнимой защиты не было ни у одного из «вашингтонских» крейсеров первого поколения, хотя, конечно же, никакого отношения к «линкорной» броне она не имела, обеспечивая безопасность жизненно важных частей корабля лишь от снарядов калибра 120–152 мм, причем от последних — не на всех дистанциях.
Хорошую защиту получила артиллерия главного калибра. На "карманных линкорах" башни имели форму сложного многогранника, в тех или иных вариациях повторявшуюся на всех крупных кораблях германского флота межвоенной постройки. Большие углы наклона плит обеспечивали достаточно высокий уровень неуязвимости. Толщина лобовой плиты равнялась 140 мм, боковых — 80 и 75 мм в передней и задней части, наклоненная вниз передняя часть крыши — 105 мм, плоская и задняя наклонная часть крыши — 85 мм, боковые наклонные фрагменты — от 80 до 60 мм. Все указанные плиты изготавливались из крупповской цементированной брони. Максимальная толщина задней стенки составляла 170 мм из соображений балансировки башни, а ввиду того, что попадание в нее имело наименьшую вероятность, выполнялась из никелевой стали.
В отличие от главного калибра 150-мм артиллерия оказалась в падчерицах. Из-за явной невозможности обеспечить разумную защиту 8 одноорудийных установок конструкторам пришлось ограничиться 10-мм башенноподобными щитами, хотя полностью закрытыми, но слишком тесными и неудобными.
Сильное прикрытие получили органы управления кораблем и артиллерией. Главная боевая рубка имела 140-мм стенки из крупповской цементированной стали и 50-мм крышу из никелевой. Кормовая рубка и артиллерийский пост были забронированы листами новой брони Ww — стенки 50 мм, крыша 20 мм. Дальномерный пост на формарсе прикрывался 14-мм броней Ww, так же как посты управления зенитным огнем. Местная защита включала 10-мм прикрытия для прожекторов из кораблестроительной стали и 20-мм подачные трубы из никелевой стали для 88-мм и 37-мм зенитных орудий.
Основной слабостью системы бронирования стала горизонтальная защита, ахиллесова пята большинства кораблей крейсерского класса. Интересно отметить, что наиболее неприятным тактическим положением для "карманных линкоров" являлись большие дистанции при острых курсовых углах, то есть случай погони или отступления, что снижало их ценность в качестве рейдеров. Правда, и здесь немецкие конструкторы предприняли определенные, хотя и не совсем обычные меры.
К наиболее любопытным особенностям схемы бронирования относится, конечно же, верхняя продольная броневая переборка, толщина которой на двух последующих единицах заметно увеличилась: с 10 до 40 мм. На первый взгляд ее наличие — чистое расточительство: высокорасположенный груз длиной примерно в 130 м, высотой почти 5 м и весом около 380 т, защищающий только центральную треть ширины корпуса. Однако при внимательном рассмотрении в такой системе прослеживается определенная польза. Во-первых, как уже отмечалось, переборка увеличила жесткость и прочность верхней части корпуса. Во-вторых, ее установка позволила на 15 мм (на последующих кораблях — на 20 мм) уменьшить толщину палубы в центральной части, а главное, продольные попадания становились менее опасными, поскольку даже на весьма острых курсовых углах снаряд перед попаданием в палубу в большинстве случаев встречал вертикальную переборку — соответственно, под очень невыгодным для него углом. В итоге кораблю по-настоящему угрожал лишь неприятельский огонь строго по диаметральной плоскости.
Общий вес вертикальной брони «Дойчланда» обычно указывается равным всего 702 т. Очевидно, что в это значение не входит вес всех продольных переборок; скорее всего оно включает лишь вес пояса и поперечных броневых траверзов. Вообще распределение нагрузки в германском флоте значительно отличалось от принятого в других странах. Так, палубы никогда не включались в вес брони, так же как и защита артиллерии.