據稱，火炮最大射速可達3發/分。主炮由2台蓋斯勒M1911型指揮儀控製，前後指揮塔頂部裝有蔡司5米測距儀。最後建成的“自由”的每座炮塔尾部還裝備有1具英國產55米測距儀。
副炮是20門130毫米/L55炮（“自由”18門），彈重3686公斤，初速823米/秒，射速每分8發。這樣“瑪利亞皇後”的副炮數量和威力都比“塞”級艦強很多，每門備彈245發。本來初始設計還包括在每座炮塔頂部安裝2門75毫米短筒教練炮和4門47毫米高射炮。1916年10月，海軍部命令將防空武器改為4門剛剛開始研製的102毫米速射炮。結果到大戰結束時，102炮也未能上艦。所以每艘艦的高射武器各不相同，“瑪利亞皇後”的每座主炮塔上安裝1門75炮，“葉卡捷琳娜大帝”號的1號炮塔頂部安裝1門，4號炮塔安裝2門75炮。“自由”的前後炮塔頂部傳列裝備2門新式76毫米高射炮，另有4門47毫米禮炮和4挺機槍。“瑪利亞皇後”同樣裝備有水下魚雷管，每舷2具，分別安裝在前後炮塔彈藥庫內側邊緣，一共攜帶8條魚雷。
推進係統
“瑪利亞皇後”級有20座亞羅式三鍋筒燃煤燃油混合鍋爐，過熱蒸汽壓力175個大氣壓，分別布置在5個鍋爐艙內。前鍋爐艙布置了2排共5座鍋爐，2號艙布置3座，3、4號炮塔彈藥庫間的3個艙內各4座。為了縮短建造時間，“瑪利亞皇後”和“亞曆山大三世”裝備的帕森斯衝動-反動式蒸汽輪機，發電機和螺旋槳都是直接從約翰-布朗公司購買的。
1914年5月，1艘英國貨輪載著“瑪利亞皇後”的動力裝置通過土耳其海峽來到尼古拉耶夫。這時距大戰爆發，土耳其參戰隻有2個月的時間。“亞曆山大三世”可沒這麼走運，她準備安裝機器時戰爭已經爆發，土耳其海峽被封鎖。英國人隻好先用船把渦輪機運到北方的阿爾漢格爾斯克，然後俄國再通過內河水道把這些笨重的大家夥輾轉運抵尼古拉耶夫。憑借維克斯的指導，尼古拉耶夫廠自己生產了“葉卡捷琳娜大帝”號的汽輪機。每台汽輪機由2台低壓渦輪機和1台高壓渦輪機組成。內側的2台低壓機組合力驅動內側主軸，外側主軸由高壓機組帶動。
為了簡化動力裝置的結構，“瑪利亞皇後”沒有特意安裝類似“塞”級艦的巡航渦輪機。因為使用了克裏蒂斯汽輪發電機組，“瑪利亞皇後”號成為第1艘使用交流發電機的俄國軍艦。但是全蒸汽動力輔機生存能力太差，為以後“瑪利亞皇後”號的意外駕崩埋下了伏筆。
裝甲防護
“瑪利亞皇後”級的裝甲防護類型基本和“塞瓦斯托波爾”級艦相同，在某些方麵又有所改進。主裝甲帶加厚到2625毫米，背板覆有一層75毫米厚的不可燃木板。
1913年進行了裝甲測試試驗證明，“塞瓦斯托波爾”級的結構防禦能力不足，裝甲板中彈後，即使沒有被擊穿，其支撐結構也會因強度不足被破壞。因此，“瑪利亞皇後”級除加裝了起緩衝作用的木板外，還通過增加鉚釘數目，裝甲板邊緣改用榫槽接合等方式來增加連接強度。
另外，“瑪利亞皇後”的裝甲帶被加寬，一直延伸到龍骨處，這樣艦體強度結構也可以用來強化裝甲的連接。一係列改進造成軍艦超重500-870噸，造價也增加了二十多萬盧布。炮塔側壁增加到250毫米，頂部裝甲也加厚到125毫米。炮塔基座裝甲上層甲板以上250毫米，以下125毫米。更暴露些的1、4號炮塔基座在上甲板以下的裝甲厚度為125毫米。“瑪利亞皇後”的水下防禦係統和“塞”級一樣，為向上延伸到側舷的雙重底結構，煤艙兼做防滲透艙。
“瑪利亞皇後”和“葉卡捷琳娜大帝”號的艦首裝有一具破雷網撐杆，從外觀上看，非常象風帆艦船的斜前桅，是“瑪利亞皇後”級最顯著的外觀特征。不過後來的試驗證明破雷網基本無效，而且整套裝置極易損壞。不久2艘艦就拆除了艏部的撐杆，“自由”號在舾裝工程中就幹脆放棄了破雷網係統。
1916年間，德國潛艇在黑海的活動越來越猖獗。為了保護“瑪利亞皇後”號，黑海艦隊司令部參謀К·Ф·科特林斯基上校曾經建議為其加裝防魚雷鼓出部。上級認為“瑪利亞皇後”號的航速本來就已經很慢，再增加多餘的艙室會進一步降低她的機動性。作為變通方案，黑海艦隊希望從英國購買新式防魚雷網增強軍艦的水下防禦能力。
服役曆程
“瑪利亞皇後”建成服役時，黑海的形勢又有了新的變化。土耳其在英國購買的“蘇丹奧斯曼一世”和“雷薩迪赫”戰列艦在交艦前夕被英國扣押。德國送來了“格本”號戰列巡洋艦和“布雷斯勞”巡洋艦。土耳其將德國戰列巡洋艦和輕巡洋艦買下，分別改名為“蘇丹塞利姆”號和“米迪裏”號。
1916年10月，俄國戰列艦“葉夫斯塔菲”、“伊凡·茲拉托烏斯特”和“潘特萊盟”號分別炮轟了土耳其的宋古爾達克和科盧茲等港口。“瑪利亞皇後”號作為屏衛兵力參加了行動。10月6日，保加利亞倒向同盟國。這意味其黑海港口瓦爾納將很快成為德國潛艇的重要基地。10月20-22日和27日，“瑪利亞皇後”號兩次掩護前無畏艦炮擊瓦爾納港。
“葉卡捷琳娜大帝”號剛剛加盟黑海艦隊不久，1916年1月5日，由於識別錯誤，俄國“迅速”號驅逐艦向被當成敵艦的“葉卡捷琳娜大帝”號發射了7條魚雷！好在無一雷命中。8日，“葉卡捷琳娜大帝”號在凱夫肯島附近海域與“塞利姆”號不期而遇。炮戰在22000-24000米的超遠距離上展開了。
由於“塞利姆”號的283炮射程有限，她隻完成了5次齊射。而“葉卡捷琳娜大帝”號的大仰角遠程火炮發揮出了最大威力，一共發射了96發305毫米炮彈。而且射擊相當準確，第1次齊射為遠彈，距離德艦450米左右，第2次齊射將偏差縮小到200米，第3次齊射得偏差僅為40米的近彈！“塞利姆”號依仗自己的速度優勢迅速撤退，“葉卡捷琳娜大帝”號緊追不舍。“塞利姆”號上的德國人的觀察結果是“葉卡捷琳娜大帝”號的航速甚至達到了25節！不過“葉卡捷琳娜大帝”號航速差距畢竟太大，最終還是讓“塞利姆”跑掉了。
1916年4月4日，“瑪利亞皇後”和“米迪裏”號進行了一次遭遇戰。本來憑借海岸的掩蔽，“米迪裏”號已經擺脫了俄國人的偵察。但是“米迪裏”號的德國艦長卻向俄國軍艦發出了一個挑釁性的信號“吻我的屁股吧”。俄國軍艦被激怒了，她立即做出了回應，第3次齊射的炮彈破片擦傷了土耳其軍艦。“米迪裏”號加速逃跑才駛出了“瑪利亞皇後”號的射程。德國人在事後的報告中也評價俄艦的炮術極為出色。
7月4日，“塞利姆”號出動炮轟高加索沿岸圖阿謝普附近的俄軍陣地。黑海艦隊獲知該情報後，立即派出“瑪利亞皇後”號、“葉卡捷琳娜大帝”號試圖夾擊圍殲土耳其軍艦。不過因為“瑪利亞皇後”和“葉卡捷琳娜大帝”所處的位置有漏洞，“塞利姆”號從北邊避開了俄國驅逐艦的偵察，並沿保加利亞海岸返回土耳其的博斯普魯斯基地。由於這次行動的失敗，黑海艦隊司令部和參謀部門的矛盾完全公開化。結果具有瑞典血統的艦隊司令А·Л·艾伯哈特中將於7月16日被解職，А·В·高爾察克中將接替了他的職務。當月21日，“瑪利亞皇後”號作為高爾察克的旗艦出擊，趕跑了正在追擊俄國“幸運”號驅逐艦的“塞利姆”號。