הופעתם של פגזים מתפוצצים חייבה את מיגונן של אוניות העץ בלוחות מתכת, והצירוף של אוניית עץ שדפנותיה מצופות בשריון מתכת, מונעת בקיטור ובעלת תותחים שירו קליעים מתפוצצים יצר סוג חדש של אונייה, שיש המכנים אותה "אוניית מערכה משוריינת" או "אונייה מחופת שריון, Ironclad (משמעו של הביטוי באנגלית הוא "עטויית שריון"). האונייה הראשונה שבה התממשו כל המרכיבים הללו הייתה "La Gloire" הצרפתית, שהושקה בשנת 1859. "La Gloire" נבנתה כאוניית קו בעלת סיפון אחד בשל שיקולי משקל; היא נבנתה מעץ והסתמכה על מפרשים לרוב הפלגותיה, אך היה לה מדחף, וגוף העץ צופה בשריון מתכת כבד. הייתה זו אוניית המלחמה המשוריינת הראשונה, שהייתה בעלת יכולת אמיתית להפליג באוקיינוס והיוותה איום אמיתי על הצי הבריטי: אונייה זו הפכה בבת אחת את כל הצי הבריטי למיושן. יכולת התמרון של "La Gloire" הייתה רבה מזו של כל אונייה בריטית, בזכות ההנעה בקיטור, והשריון שלה הפך את החימוש הבריטי לחסר תועלת.
השקתה של "La Gloire" הניעה מרוץ חימוש קדחתני. בשנת 1860 השיקה בריטניה את הספינה "Warrior", שהייתה בנויה כולה מברזל (ולא מצופה בברזל) והייתה בעלת עליונות על כל אונייה אחרת; ואולם, הפיתוחים הטכנולוגיים בתכנון אוניות הפכו גם את "Warrior" וגם את "La Gloire" בתוך עשר שנים למיושנות. ההבנה שעליונותו של הצי הבריטי, שכל אוניותיו היו עשויות מעץ, נמחקה למעשה בתוך עשר שנים, הביאה לייזום תוכניות ראשיות לבניית אוניות מערכה בבריטניה, בצרפת, באיטליה, באוסטרו-הונגריה, ברוסיה ובאימפריה הגרמנית. בריטניה התכוונה לשמור על עליונותה הימית. הנחת היסוד של הממלכה המאוחדת הייתה שעל הצי הבריטי להיות גדול יותר משני הציים הבאים אחריו בגודלם גם יחד. בשל כך, השקיעה ממשלת בריטניה סכומים גדלים והולכים בבניית אוניות מערכה מעודכנות.
קרבות ראשונים.
כאמור לעיל, שימוש ראשון באוניות מחופות שריון נעשה עוד במלחמת קרים. ב-8 - 9 במרץ 1862, במהלך מלחמת האזרחים בארצות הברית, התחולל קרב ימי מפורסם וראשון מסוגו בעולם בחדשנותו הטכנולוגית בין שתי ספינות קרב משוריינות: ספינת הקרב "מוניטור" של ארצות הברית (מדינות הצפון), וספינת הקרב "וירג'יניה" של מדינות הקונפדרציה (מדינות הדרום). ה"וירג'יניה" היוותה איום חמור על אוניות העץ של הצפון, מכיוון שהייתה משוריינת כולה, ופגזי התותחים של ספינות העץ לא חדרו את שריונה. המענה הצפוני היה, כאמור, ה"מוניטור". הקרב ההיסטורי בין שתי הספינות הסתיים במעין תיקו, שמשמעו היה כישלון הקונפדרציה בפריצת המצור הימי שהטיל הצפון. קרב ליסה, שנערך ב-20 ביולי 1866 בין הצי המלכותי האיטלקי והצי האוסטרי, היה הקרב הראשון בין שייטות שלמות של אוניות מחופות שריון. הקרב הסתיים בניצחון אוסטרי.
בשנות ה-60 של המאה ה-19 נבנו פריגטות משוריינות, שאף שהיו בעלות סיפון תותחים אחד, נתפסו כאוניות מערכה ולא כפריגטות. כלי השיט הראשון בעל מעטפת מפלדה היה האונייה הצרפתית "Redoutable", שהושקה ב-1876.
כלקח מקרבות אלה בנו הבריטים בסביבות שנת 1870 את אוניות הקרב הראשונות שנראו כמו אוניות המערכה המודרניות: היו אלה אוניות מסדרת "Devastation", שתותחיהן הותקנו בצריח מסתובב. צריח מסתובב היה אחד המרכיבים החשובים בקרב בין ה"מוניטור" וה"מרימק". ואולם, המתכננים עדיין היו שקועים בהתלבטויות רבות; רק בסביבות 1880 התייצב מבנה הספינות עד כדי כך שניתן היה לבנות סדרות גדולות יותר של אוניות סביב תכנון אחד. התפוסה של אוניות המערכה הלכה וגדלה, ככל שנוספו לאוניות מנועים חזקים יותר, שריון כבד יותר וחימוש משני רב יותר (החימוש המשני כלל תותחים בעלי קוטר קטן יותר, שנועדו להוות הגנה על האוניות מפני ספינות קטנות כמו משחתות וסיירות).
ניסיונות בתכנון.
בין השנים 1870–1890 היה תכנון אוניות המערכה ברחבי העולם בשלב ניסיוני: ציים שונים ניסו צורות שונות של סידור התותחים, קביעת מספרם וגודלם. בניגוד לבריטים, נהגו הצרפתים לבנות לעיתים קרובות דגם אחד בלבד של כל תכנון חדש, דבר שהוביל לכינוי הצי הצרפתי כ"צי של דוגמיות". הופיעו אוניות מערכה ניסיוניות מוזרות: הגרמנים בנו סדרה של אוניות מערכה בעלות תריסרי תותחים בעלי קוטר קטן, שנועדו להדוף ספינות קטנות יותר; הבריטים בנו כלי שיט שעשה שימוש במנוע טורבינה (למרבה האירוניה, מנוע זה הפך, שנים לאחר מכן, למערכת ההנעה העיקרית לרוב האוניות); והצרפתים בנו סוג שלם של אוניות מערכה שנקראו "עזות פנים" (fierce face) – אוניות שנבנו ללא התחשבות במראה החיצוני שלהן או בהופעתן, תוך העדפת מראה "תוקפני".
בתקופה זו היו ציי אוניות מערכה לבריטניה, לצרפת ולרוסיה, שאליהן הצטרפו גרמניה, אוסטרו-הונגריה ואיטליה. טורקיה וספרד בנו מספרים מצומצמים של פריגטות וסיירות משוריינות. שוודיה, דנמרק, נורווגיה, הולנד וארצות הברית בנו אוניות מערכה קטנות יותר, "אוניות מערכה חופיות". אוניות אלה נועדו להוות אופציה זולה יותר למדינות שלא היו יכולות לעמוד בהוצאה הגדולה של אוניית מערכה גדולה, וכן נועדו לתת מענה למדינות שנזקקו לאוניית קרב בעלות יכולת להפליג במים רדודים. בדומה, היו מדינות שניסו לבנות אוניות מערכה זולות יותר (וחלשות יותר), שנקראו אוניות מערכה מדרג שני. אוניות אלו לא היו יכולות לספק את צרכיהן של מדינות בעלות שאיפות גלובליות.
צריחים וקנים מחורקים.
מתכנני אוניות המלחמה התלבטו רבות לגבי הדרך הנכונה לסדר את תותחי האונייה. אוניות הקו, ובעקבותיהן האוניות מחופות השריון הראשונות, נשאו את תותחיהן כשהם מסודרים לאורך האונייה, ופונים לצידיה. ואולם, ככל שגדל משקלם של התותחים, היו האוניות יכולות לשאת מספר קטן והולך של תותחים. הקושי של סידור התותחים לצידי האונייה הוא בכך, שכדי לכוון אותם למטרה יש לכוון את כל האונייה אל המטרה; כאשר יש תותחים רבים, ניתן לתמרן את האונייה ולהביא מספר מספיק של תותחים לכיוון המטרה; ואולם, כאשר מספר התותחים ירד היה קשה יותר לכוון אותם אל המטרה. מעבר לכך, באותן שנים התפתחה תאוריה שגרסה שהניצחון הימי יושג בעזרת ניגוח אוניות האויב, כפי שעשו היוונים וכוחות ימיים אחרים בים התיכון בעת העתיקה. בשל כך, היה צורך נוסף בתותחים בעלי יכולת כוונון מהירה.
הפתרון לבעיה היה באחת משתי אפשרויות: או על ידי התקנת רוב התותחים במעין תא משוריין במרכזה (casemate), כך שקל היה יותר לתמרן את האונייה כדי שהתותחים יופנו למטרה. בשנות ה-60 וה-70 של המאה ה-19 נבנו רוב האונייה בדרך זו, שנקראה "סוללה מרכזית" (centre-battery). ואולם, במקביל הוחל בתכנון אוניות בעלות צריחי תותחים. הצריחים נתנו מענה גם לבעיות שהתעוררו עקב המשקל הגדל והולך של התותחים, וגם איפשרו ירי לכמה כיוונים, בקשת רחבה למדי. צריחים איפשרו עוצמת אש משמעותית גם במספר קטן יותר של תותחים. צריחיה של ה"מוניטור" העידו על יעילות השיטה, ועד שנות ה-70 של המאה ה-19 הפך סידור התותחים לאורך צדי הספינות למיושן.
באותה עת עברו התותחים המותקנים בספינות שני מהפכים: במקום התותחים חלקי הקדח (שחללם הפנימי חלק), הופיעו תותחים בעלי קנה מחורק (שיש בחללו הפנימי סליל). הסליל מעניק לקליע תנועה סיבובית, המייצבת את מעופו ומגדילה בכך את הדיוק ואת הטווח. תותחים אלה היו נטענים מכיוון הלוע. מאוחר יותר נכנסו לשירות תותחים הנטענים מפתח בקצה האחורי של התותח, ומאפשרים קצב אש גבוה יותר.
שינויים אלה יחד עם חידושים טכנולוגיים קטנים יחסית, אך רצופים, חוללו מהפכה גדולה בתכנון הספינות בין השנים 1865 ל-1906.
השינויים הבלתי פוסקים הביאו לכך שסוגים חדשים של אוניות מערכה, שהיו מהפכניים עם הופעתם, הפכו למיושנים תוך מספר שנים. החשש מאויב שיצליח להביס את בריטניה בעזרת אוניות מערכה חדישות רק במעט מאלה של הצי הבריטי הפך לגורם מרכזי במדיניות ההגנה של הממלכה המאוחדת במחצית השנייה של המאה ה-19. בשנות ה-70 של המאה ה-19 השקיעה הממשלה הבריטית בבניית אוניות מלחמה, בממוצע, 1.75 מיליון ליש"ט לשנה, שהיו בערך 0.2% מהתוצר הלאומי הגולמי; רוב הסכום הושקע בבניית אוניות מערכה.
התקדמות בתחום אבק השריפה.
אבק שרפה שחור ניצת במהירות רבה מאוד, כמעט בבת אחת, ולכן נפח הגזים הנוצר מן הפיצוץ מתרחב במהירות רבה. בשל כך, היה צורך בקני תותח קצרים יחסית: קנה ארוך עלול היה להאט את הקליע, לאחר הפיצוץ, בשל החיכוך בתוך הקנה. מעבר לכך, הפיצוץ החד והמיידי גרם לשחיקה רבה בקנים. צעד ראשון להתגברות על הקושי היה גיבוש החומר למעין כדורים קטנים, שניתן היה לשלוט על גודלם וכך גם על עוצמת הפיצוץ. הצעד הבא היה יצירת אבק שרפה חום, שהיה למעשה אבק שרפה שחור, מעורב בפחם; אבק שרפה זה נדלק לאט יותר, וכך ניתן היה ליצור תותחים בעלי קנה ארוך יותר, שיהיו עמידים יותר.
פיתוח אבק שרפה ללא עשן היה גורם קריטי בהתפתחותה של אוניית המערכה המודרנית. היעלמות העשן שהיה נוצר בזמן הירי הגדיל מאוד את טווח הראייה בזמן הקרב. האנרגיה המשתחררת בפיצוץ באבק שרפה זה גדולה יותר, וקצב השריפה ניתן לשליטה בצורה טובה יותר. אבק השריפה ללא עשן עמיד גם יותר בפני חשש של פיצוץ מקרי, והרבה פחות מאכל.
אוניות מערכה פרה-דרדנוט.
אוניות מערכה מפלדה.