炮和“塞瓦斯托波尔”级完全相同，炮塔是重新设计的。1、4号炮塔方向射界为310度，中间两座炮塔每舷各130度。之所以“玛利亚皇后”的炮塔射界比“塞瓦斯托波尔”级舰小，是因为其长度比较短，炮塔与上层建筑距离较小。火炮的最大仰角提升到35度，这样其最大射程可达24000米。
据称，火炮最大射速可达3发/分。主炮由2台盖斯勒M1911型指挥仪控制，前后指挥塔顶部装有蔡司5米测距仪。最后建成的“自由”的每座炮塔尾部还装备有1具英国产5.5米测距仪。
副炮是20门130毫米/L55炮（“自由”18门），弹重36.86公斤，初速823米/秒，射速每分8发。这样“玛利亚皇后”的副炮数量和威力都比“塞”级舰强很多，每门备弹245发。本来初始设计还包括在每座炮塔顶部安装2门75毫米短筒教练炮和4门47毫米高射炮。1916年10月，海军部命令将防空武器改为4门刚刚开始研制的102毫米速射炮。结果到大战结束时，102炮也未能上舰。所以每艘舰的高射武器各不相同，“玛利亚皇后”的每座主炮塔上安装1门75炮，“叶卡捷琳娜大帝”号的1号炮塔顶部安装1门，4号炮塔安装2门75炮。“自由”的前后炮塔顶部传列装备2门新式76毫米高射炮，另有4门47毫米礼炮和4挺机枪。“玛利亚皇后”同样装备有水下鱼雷管，每舷2具，分别安装在前后炮塔弹药库内侧边缘，一共携带8条鱼雷。