כאמור, אחד מהחידושים המהפכניים שהביאה עמה אה"מ דרדנוט, ושהפכו למאפיין מרכזי של הסוג היה סוללת התותחים הראשית, שהייתה בקוטר גדול ואחיד. ההבדל בין סדרות אוניות המערכה השונות היה במספר התותחים, קוטרם וסידורם באונייה. החימוש העיקרי באוניות המערכה פרה-דרדנוט היו תותחים בקוטר 12 אינץ', ואה"מ דרדנוט, שסימנה את המהפכה, שמרה על קוטר זה, וכך גם כל גם אוניות המערכה הנוספות בדור הראשון של הדרדנוטים. יוצאות מכלל זה היו אוניות המערכה מסדרת נסאו, של הצי הקיסרי הגרמני, שתותחיהן היו בקוטר 11 אינץ' (279 מ"מ).
בנוסף לתותחים העיקריים נשאו הדרדנוטים גם חימוש משני, תותחים קלים יותר. בדרדנוטים הראשונים הותקנו תותחים קלים מאוד, שנועדו להדוף התקפות של ספינות טורפדו. קוטרם של תותחים אלו הלך וגדל עם השנים, ככל שטווח הטורפדו עלה וככל שעמידותן של ספינות הטורפדו, ומאוחר יותר המשחתות גדלה. מסופה של מלחמת העולם הראשונה ואילך הותקנו בדרדנוטים גם מספר גדל והולך של תותחים נגד מטוסים.
גם אוניות המערכה עצמן נשאו צינורות טורפדו משלהן. על פי התיאוריה, שורת קרב של אוניות מערכה הייתה יכולה לשגר מטח קטלני של טורפדות על שורת קרב של צי האויב, המפליגה במקביל אליה. בפועל, מספר הפגיעות שהושגו באמצעות טורפדו ששוגרו על ידי דרדנוטים הייתה קטנה מאוד, ולמעשה המקרה המתועד היחיד של דרדנוט שפגעה בדרדנוט אחרת הייתה של אוניית המערכה הבריטית "אה"מ רודני", שירתה מטווח קצר טורפדו על אוניית המערכה הגרמנית "ביסמרק", ב-27 במאי 1941. למעשה, הימצאותם של טילי טורפדו על סיפונה של אוניית מערכה היווה סיכון לאונייה, בשל החשש שיתפוצצו מפגיעה של אש אויב.
מיקום החימוש הראשי.
יעילותם של התותחים תלויה באופן חלקי במערך הצריחים. ב"דרדנוט", ובאוניות הבריטיות שנבנו מיד לאחריה, היו חמישה צריחים: אחד בקדמת האונייה, אחד בירכתיה, אחד באמצעה, על קו האורך של האונייה, ושניים ב"כנפי" האונייה, בצד המבנה העילי. בדרך זו הייתה האונייה יכולה לירות לכיוון חרטומה באמצעות שלושה צריחים, ולירות מטח דופן מארבעה. באוניות הדרדנוט הגרמנית, מסדרות "נסאו" ו"הלגולנד", הייתה פריסת הצריחים במבנה משושה - צריח אחד בקדמת האונייה, אחד בירכתיים, וארבעה צריחי כנף. בפריסה כזו היו באונייה יותר תותחים, אך מספר התותחים שהיו יכולים לירות קדימה או במטח צד היה זהה לזה שב"דרדנוט".
נעשו ניסיונות שונים בפריסת התותחים. באוניות המערכה מסדרת נפטון הבריטיות היו צריחי הכנף מדורגים, כך שיוכלו לירות לשני צידי האונייה. בדרך זו הייתה האונייה יכולה לירות בעשרה תותחים לכל אחד מצידי האונייה. גם באוניות המערכה מסדרת קייזר הגרמניות מוקמו התותחים באותו אופן. החיסרון שבפריסה זו היה חשש מנזק לחלקי האונייה מעליהם ירו התותחים, וכן עומס רב על שלדת האונייה בשל הירי.
אפשרות נוספת לסידור התותחים היא פריסה של כל הצריחים לאורך קו האורך של האונייה. פריסה כזו מקלה על העומסים המוטלים על גוף האונייה בעת הירי, ומאפשרת ירי של כל התותחים במטח צד. מאידך, בפריסה כזו יש פחות תותחים שיכולים לירות קדימה, וסידור התותחים בדרך כזו דורש גוף ארוך יותר. גוף ארוך דורש מיגון רב יותר, ומיקומם של מאגרי התחמושת, בתוך הגוף מתחת לצריחי התותחים, מצריך סידור מחדש של המערכות השונות ומפריע למיקומם של המנועים והדוודים. אחת מאוניות המערכה הראשונות שבהן סודרו כל צריחי התותחים על קו האורך של האונייה הייתה אה"מ אז'נקור, שבה היו שבעה צריחים דו-קניים של תותחי 12 אינץ', אך בשל כל החסרונות שהוזכרו לא נחשבה האונייה כהצלחה תכנונית.
פריסת התותחים שהפכה לסטנדרטית בסופו של דבר הייתה סידורם בצמדים, זה מאחורי זה, כאשר הצריח האחורי מוגבה ויורה מעל הצריח הקדמי. צי ארצות הברית אימץ פריסה זו באוניות הדרדנוט הראשונות שלו ב-1906, אך ציים אחרים לא אימצו את הפריסה מיד, מכיוון שגם בה - כמו בפריסות אחרות - היו כמה חסרונות. תחילה היה חשש מהשפעת עוצמת הירי של הצריח העליון על התותחים בצריח התחתון. מעבר לכך, הגבהת הצריחים הגביהה את מרכז הכובד וסיכנה את יציבותה של האונייה. עם זאת, חסרונות אלו נדחו מול היתרון שהיה בפריסה זו, שהייתה הדרך הטובה ביותר לנצל את כוח האש של תותחי האונייה, ובסופו של דבר אומצה בכל ציי המלחמה. עד מלחמת העולם השנייה הפכה פריסת התותחים על קו האורך של האונייה לסטנדרט כללי.
מרכיב נוסף של פריסת התותחים הוא מספרם בכל צריח. בתחילה היו בכל הדרדנוטים שניים בכל אחד מהצריחים. פתרון אחד לסוגיית פריסת הצריחים היה התקנת שלושה ואף ארבעה תותחים בכל אחד מהם. צמצום מספר הצריחים יכול היה לאפשר בניית אונייה קצרה יותר, או פינוי מקום רב יותר למכונות. מאידך, החיסרון בכך הוא ביכולת האויב לנטרל מספר גדול יותר של תותחים בעת פגיעה בצריח אחד, דבר שיוציא מכלל שימוש אחוז גבוה יותר של תותחי האונייה בפגיעה אחת. בנוסף, גלי ההדף מכל תותח מפריעים לתותחים אחרים באותו צריח, ומאטים במידת מה את קצב האש. האיטלקים היו הראשונים שבנו צריח בעל שלושה תותחים באוניית המערכה "דנטה אליגיירי" ואחריהם הרוסים באוניות המערכה מסדרת גנגוט, האוסטרו-הונגרים באוניות המערכה מסדרת טגטהוף וצי ארצות הברית באוניות המערכה מסדרת נבדה. אוניות המערכה של הצי הבריטי אימצו צריחים בעלי שלושה תותחים רק לאחר מלחמת העולם הראשונה באוניות המערכה מסדרת נלסון. בסדרות מאוחרות יותר היו גם צריחים בעלי ארבעה תותחים, כמו באוניות המערכה מסדרת קינג ג'ורג' V של הצי הבריטי ובאויינת המערכה הצרפתית רישלייה.
עוצמת התותחים הראשיים וקוטרם.
במקום להתקין תותחים נוספים, פתרון אחר הוא הגדלת עוצמתם. דבר זה ניתן לביצוע על ידי הגדלת קוטר התותח, כך שיוכל לירות קליעים כבדים יותר ובעלי עוצמה גדולה יותר, או להאריך את הקנה וכך להגדיל את מהירות הלוע, המקנה לקליע טווח גדול יותר ויכולת חדירה גבוהה יותר.
לשתי השיטות יתרונות וחסרונות. מהירות לוע גדולה יותר גורמת לשחיקה מוגברת של פנים הקנה, שבסופו של דבר מביאה לירידה בדיוק הירי ובסופו של דבר מצריך את החלפת הקנה. החיסרון שבתותחים בעלי קוטר גדול יותר הוא במשקלם הגדול יותר, ולפיכך גם בצריחים בעלי משקל רב יותר. כמו כן, משקל הקליעים גדול יותר, ולפיכך מהירות הלוע נמוכה יותר. כדי להתגבר על מהירות לוע נמוכה יש לירות את הקליע בזווית גבוהה יותר כדי להגיע לטווח הרצוי, וכדי להשיג זווית ירי גבוהה יותר יש לתכנן מחדש את הצריח. מאידך, מהירותם של פגזים כבדים יותר מואטת פחות על ידי התנגדות האוויר, ולפיכך יכולת החדירה שלהם נותרת גבוהה יותר גם בטווחים ארוכים יותר.
לשאלת הגדלת הקוטר והארכת קנים הייתה התייחסות שונה בציי העולם. בצי הגרמני נעשהש ימוש, בדרך כלל, בתותחים בעלי קוטר קטן מה שהיה נהוג בצי הבריטי. עם זאת, בשל היתרון שהיה לגרמניה בתחום המטלורגיה, היו התותחים בגרמניים בקוטר 12 אינץ' טובים יותר מהתותחים הבריטיים באותו קוטר ובעלי מהירות לוע גבוה יותר. גם הפגזים הגרמניים היו בעלי משקל רב יותר מאלה הבריטיים. היתרון הגרמני התבטא גם במשקלם הנמוך יותר של תותחי ה-12 אינץ' לעומת התותחים הבריטיים המקבילים. החיסכון במשקל איפשר לבוני הספינות הגרמניים להוסיף שריון לאוניות שבנו, לעומת האוניות הבריטיות.
עם השנים הלכו וגדלו קוטרי התותחים. אוניות המערכה מסדרת אוריון של הצי המלכותי הבריטי, שהושקו ב-1910, היו חמושות בעשרה תותחים בקוטר 13.5 אינץ', כולם על קו האורך של האונייה. לעומתן, אוניות המערכה מסדרת קווין אליזבת, שהושקו שלוש שנים אחריהן ב-1913, כבר היו חמושות בשמונה תותחים בקוטר 15 אינץ' (381 מ"מ). העדפת תותחים בקוטר גדול ובמספר קטן יותר הייתה מגמה שהתפשטה בכל ציי העולם. צמצום מספר התותחים הקל על פריסתם באונייה, והצבת צריחים על קו האורך הייתה לנורמה.
לאחר מלחמת העולם הראשונה תוכנן הצעד הבא באוניות המערכה. אוניות המערכה מסדרת נגאטו של הצי הקיסרי היפני, שהושקו ב-1917, היו בעלות תותחים בקוטר 16.1 אינץ' (420 מ"מ), ואוניות המערכה מסדרת קולורדו של צי ארצות הברית, שנבנו זמן קצר לאחריהן, היו גם הן בקוטר זה. יפן ובריטניה תכננו אוניות מערכה בכלות תותחים בקוטר 18 אינץ' (457 מ"מ), אך אמנת וושינגטון שאושררה ב-1922 הגבילה את קוטר התותחים באוניות המערכה ל-16 אינץ', ולא יוצרו תותחים בקוטר גדול יותר.
אוניות המערכה היחידות שחרגו ממגבלה זו היו אוניות המערכה מסדרת יאמטו של הצי הקיסרי היפני, שבנייתן החלה ב-1937, לאחר פרישת יפן מאמנת וושינגטון. תותחיהן של האוניות מסדרה זו היו בקוטר 18.1 אינץ' (460 מ"מ). במהלך מלחמת העולם השנייה הועלו תוכניות לחימוש בקוטר גדול עוד יותר: אוניות המערכה מסדרת H שתוכננו עבור צי המלחמה הגרמני, הקריגסמרינה, היו אמורות לשאת תותחים בקוטר 20 אינץ' (508 מ"מ), וישנן ראיות שאדולף היטלר רצה תותחים בקוטר גדול יותר, עד 24 אינץ' (609 מ"מ). היפנים תכננו את אוניות המערכה מסדרת A-150 שכונו "סופר יאמטו", והיו אמורות להיות חמושות בתותחים בקוטר 20 אינץ'. כל התוכניות הללו לא עברו את שלב התכנון הראשוני.
חימוש משני.