Все перечисленные крейсера имели усиливавшуюся от типа к типу, подводную конструктивную защиту с продольными противоторпедными переборками.
В целом защита по проекту С4 включала: вертикальную защиту погребов и машинно-котельных отделений; горизонтальную защиту погребов и машинно-котельных отделений; конструктивную подводную защиту энергетической установки; защиту рулевого устройства; защиту боевой рубки и артиллерии.
Вертикальная защита включала в первую очередь броневой пояс толщиной 110 мм, простиравшийся от 60 до 144 шпангоутов. Высота пояса составляла от 3,76 м до 4,45 м от главной палубы, до 1 м ниже 10-й ватерлинии. Пояс прикрывал машинно-котельные отделения, посты управления, помещения носовых динамо-машин и погреба боезапаса. От 60 до 39 шпангоутов высота пояса составляла до 2,45 м. Бортовой пояс дополнялся броневыми траверзами толщиной 70 мм, установленными на 39, 60 и 144 шпангоутах. Толщина поперечных переборок на 39 и 144 шпангоутах между нижней кромкой броневых траверзов и наружной обшивкой была увеличена до 20 мм.
По всей длине машинно-котельных отделений, в дополнение к броневому поясу была установлена противоосколочная продольная переборка толщиной 40 мм. Конструктивно она являлась верхней частью противоторпедной переборки. Противоосколочная продольная переборка располагалась на расстоянии 5,65 мм от диаметральной плоскости.
Такая же противоосколочная продольная переборка, но толщиной 20 мм, прикрывала (в промежутке между трюмной платформой и подволоком погребов) погреба боезапаса и посты управления.
Дымоходы по всей высоте верхней до главной броневой палубы были защищены броней толщиной 26 мм. Тамбуры сходов в машинно-котельные отделения, посты управления и помещения динамо-машин, были защищены броней толщиной 20 мм.
Горизонтальная защита включала броневую (от 60 до 144 шпангоутов) главную палубу, прикрывавшую машинно-котельные отделения, посты управления , носовые погреба боезапаса и Носове отделения динамо-машин.
От 60 до 130 шпангоутов броневая палуба была толщиной 80 мм в промежутке между противоторпедными переборками и 30 мм у бортов. От 130 до 144 шпангоутов броневая палуба была толщиной 80 мм по всей ширине, а от 39 до 60 шпангоутов броневая палуба была толщиной 80 мм в промежутке между противоторпедными переборками и 30 мм у бортов.
Вырезы для дымоходов, вентиляционных каналов и сходов в машинные и котельные отделения, посты управления, помещения динамо-машин и доступы в погреба боезапаса и туннели гребных валов, были защищены постоянными, или откидывающимися, колосниковыми решетками из брусьев толщиной 120 мм.
Лазы и люки с броневой палубы, задраиваемые по боевой тревоге, были снабжены броневыми крышками.
Конструктивная подводная защита была спроектирована подобно защите крейсеров по проектам С2 и СЗ. В зоне попаданий защита проекта С4 включала наружную обшивку корпуса толщиной 16 мм; коффердам шириной около 1 м, слой нефти толщиной около 1 м, слой угля толщиной около 2,2 м; продольную броневую переборку толщиной 40 мм (в оконечностях, для компенсации уменьшения ширины защиты, толщина продольной броневой переборки была увеличена до 50-60 мм. Дополнительно, для увеличения ширины защиты в зоне попаданий, борт был сделан с завалом в 2,5° от вертикали. В целом, по проекту, ширина подводной конструктивной защиты на заглублении 3,5 м ниже 10-й ватерлинии составила: на 60 шпангоуте – 2,8 м; на 90 шпангоуте – 4,35 м; на 120 шпангоуте – 2,5 м.
Угольная прослойка выходила за траверзы не менее чем на 2 м, в пределах от 58 до 60 шпангоута и от 120 до 122 шпангоута.
Чтобы избежать одновременного затопления двух машинных отделений, продольная противоторпедная переборка дублировалась установкой изнутри на расстоянии 1,1м еще одной, дополнительной фильтрационной продольной переборкой, на 6 м в нос и в корму от поперечной водонепроницаемой переборки на 76 шпангоуте.