יחסית לברזל, פלדה מאפשרת חוזק מבני רב יותר במשקל קטן יותר. צרפת הייתה המדינה הראשונה לייצר פלדה בכמויות גדולות, ובשנת 1876 הושקה הספינה הצרפתית "Redoutable", שהייתה אוניית המערכה הראשונה שהייתה בנויה בעיקר מפלדה, אם כי השריון בחלקה התחתון היה עשוי עדיין מברזל מחושל. אוניות מלחמה בנויות מפלדה נבנו גם בבריטניה, לאחר מכן, ועל ידי שימוש בטכניקות ייצור מתקדמות יותר ניתן היה לייצר את כל חלקיהן מפלדה.
התייצבות התכנון.
כאמור לעיל, ספינות ניסיוניות רבות נבנו בידי הציים השונים. ואולם, לקראת העשורים האחרונים של המאה הלך התכנון הימי והתייצב סביב התצורה שנקראה, לאחר מעשה, "פרה-דרדנוט" (pre-Dreadnoughts), והוגדרה לראשונה על ידי הצי הבריטי כ"אוניית מערכה" (Battleship) ב-1892, כאשר הצי המלכותי הגדיר מחדש את אוניותיו. אוניות אלו נבנו בין השנים 1890–1905, הן היו בעלות הדחק של 15,000 - 16,000 טון, מהירותן הייתה 13 עד 18 קשר, והן היו חמושות בארבעה תותחים "גדולים", היינו תותחים בעלי קוטר של 12 אינץ' (305 מ"מ) לפחות, שהותקנו בשני צריחים על קו האורך של הספינה, אחד בקדמתה והשני באחוריה. תותחים אלה היו בעלי קצב אש איטי, ונועדו להיות הנשק העקרי בקרבות בין אוניות. בנוסף, נשאו הספינות חימוש משני רב, בדרך כלל תותחים בקוטר של 5 אינץ' (127 מ"מ) עד 7 אינץ' (178 מ"מ). לגבי תפקידו של החימוש המשני ראו להלן.
השליטה הבריטית בים ואוניות המערכה.
התייצבות התכנון הימי סביב תצורת הפרה-דרדנוט אירעה בשלב שבו בריטניה ביקשה לייצב בידיה את שליטתה בים. הצי המלכותי הבריטי נהנה מעליונות ימית כמעט מוחלטת שהתקבעה במהלך המלחמות הנפוליאוניות בסוף המאה ה-18 ובתחילת המאה ה-19, ובמיוחד אחרי קרב טרפלגר ב-1805. עליונות זו נחשבה אצל הבריטים כמובנת מאליה, והבריטים לא חשו בצורך להגדיל את הצי. ואולם, לקראת סוף המאה חשו הבריטים שהתעצמותם של ציים אחרים מסכנת שליטה זו, במיוחד מצד צרפת, וגם בשל התעצמות של הצי הרוסי. ב-1889 נחקק חוק ההגנה הימית, שאיפשר את בנייתן של שמונה אוניות מערכה חדשות, בצד אוניות רבות נוספות; העיקרון שנקבע בבריטניה היה שכוחו של הצי הבריטי צריך להיות שווה לכוחן של שתי המעצמות הימיות הבאות אחריו בכוחן יחד. המטרה הייתה להרתיע את צרפת ורוסיה מבניית אוניות מערכה חדשות, אך בפועל הושגה המטרה ההפוכה, והייתה זו תחילתו של מרוץ חימוש, שהלך והתפתח יותר ויותר מול הקיסרות הגרמנית, ונמשך בעשורים הראשונים של המאה העשרים. אוניית המערכה הייתה ליבו של מרוץ חימוש זה, ועוצמתה של כל מעצמה נמדדה במספר אוניות אלו שהיו ברשותה; ב-1883 היו לבריטים 38 אוניות מערכה, פי שניים ממספרן של האוניות הללו שהיו בידי צרפת וכמעט כמספרן של כל אוניות המערכה שהיו בעולם. ב-1897 הצטמצם מאוד יתרונו המספרי של הצי הבריטי עקב התחרות הנמשכת מול צרפת, גרמניה ורוסיה, כמו גם התפתחותם של ציים מודרניים שרכשו או בנו אוניות כאלו במדינות נוספות, ובהן איטליה, ארצות הברית ויפן. גם במדינות אחרות היו אוניות מערכה, רובן אוניות "יד שנייה"; בין מדינות אלו היו האימפריה העות'מאנית, ספרד, שוודיה, דנמרק, נורווגיה, הולנד, צ'ילה וברזיל.
חימוש משני וחימוש עיקרי.
התקנת החימוש המשני הייתה תוצאה של התלבטות ארוכה בין התותחים הגדולים (Big Guns), כלומר תותחים בעלי קוטר של 12 אינץ' (300 מ"מ) לפחות, לבין חימוש משני, בעל קוטר קטן יותר. החימוש המשני סודר בדרך כלל לאורך הספינה, בדומה לסידור באוניות הקו הישנות.
לחימוש המשני היו שתי מטרות. ראשית, היה לו קצב אש גבוה מזה של התותחים הגדולים, וכך ניתן היה להשתמש בו כנגד אוניות אויב קטנות יותר, כמו משחתות וסיירות, ובמיוחד כנגד ספינות טורפדו. כלי שיט אלו היו מהירים וזריזים, וקצב האש הגבוה סייע בפגיעה בהם. מטרה שנייה של החימוש המשני הייתה לפגוע באזורים הלא ממוגנים באוניות המערכה של האויב, כמו הגשר, עמדות התצפית, הארובות ואזורים לא ממוגנים אחרים. החימוש המשני נועד אם כן ליצור פגיעות משניות ולהחליש את אוניית האויב, בעוד שהחימוש העיקרי, התותחים הגדולים, נועדו לדו-קרב העיקרי עם אוניות מערכה אחרות, ולגרימת הנזק העיקרי עד כדי הרס ספינת האויב.
אולם החימוש המשני יצר לא מעט בעיות. בעת הירי, יש לספק הבחנה של מקום נפילת הפגז, כדי לתקן את הירי הבא. ואולם, כאשר יורים תותחים בקטרים שונים, נוצר קושי: תיקון המתאים לתותח בקוטר מסוים אינו מתאים לתותח בקוטר אחר. ככל שגדל קוטרם של תותחי החימוש המשני, עלה גורם הבלבול: היה קשה להבדיל בין נפילתם של פגזי החימוש המשני לבין נפילת פגזי החימוש העיקרי. נוצר צורך לתזמן את הירי – כל סוללה ירתה לפי תור, והמתינה לתותחים האחרים כדי לא לבלבל את בקרת הירי. הדבר יצר ירי איטי ומסורבל, שהכביד מאוד, ונטרל את יתרון קצב האש המהיר של החימוש המשני. הצרפתים שילבו בפגזיהם צבע שונה לכל קוטר, כך שניתן היה לזהות איזה תותח ירה. גם ציים אחרים אימצו שיטה זו, אך לא היה בכך פתרון מלא. בנוסף, ריבוי התותחים בקטרים שונים יצר קשיים לוגיסטיים רבים: היה צורך להחזיק באונייה פגזים בקטרים שונים, ליצור כמה מערכות להזנת החימוש לתותחים, ועוד.
אוניית המערכה המודרנית: דרדנוט.
בשנת 1906 התחוללה מהפכה בתכנון, בניית והפעלת אוניות מערכה. מהפכה זו התחוללה עם השקתה של אה"מ דרדנוט (HMS Dreadnought) המהפכנית. דרדנוט הייתה פרי יוזמתו ומרצו של לורד הים הראשון של האדמירליות הבריטית, אדמירל ג'קי פישר, אך גם בציים אחרים אירע באותן שנים שינוי מחשבתי, שגרס בניית אונייה בעלת חימוש כבד בלבד, ללא חימוש משני. "דרדנוט" הביאה עימה שורה של חידושים: היא הייתה בעלת שנים עשר תותחים גדולים, בקוטר 12 אינץ' (305 מ"מ); היו בה מנועי טורבינה חדשניים לאותה תקופה, שהעניקו לה מהירות רבה יותר מזו של כל אונית מערכה אחרת; והמיגון שלה היה יוצא דופן בעוביו. כניסתה של דרדנוט לשירות הפכה למעשה את כל אוניות המערכה בציים אחרים למיושנות, בין לילה, וזירזה את כל הציים הגדולים בעולם באותה תקופה לבנות אוניית המבוססות על אותה תפיסה. למעשה, האונייה הראשונה בעלת חימוש כבד בלבד שהוחל בבנייתה הייתה אוניית המערכה היפנית סאטסומה, אך הבריטים היו זריזים יותר, והשלימו את בנייתה של "דרדנוט" מוקדם יותר. מרוץ החימוש שהחל עוד לפני כן, והתחדד במיוחד בין גרמניה לבריטניה, הואץ עוד יותר; אוניות המערכה החדישות שנבנו על פי התפיסה החדשה נקראו בשם הכולל "דרדנוט". מרוץ החידושים הטכנולוגי המשיך במהירות; עשר שנים לאחר בנייתה כבר הייתה "דרדנוט" מיושנת, ואוניות חדישות וחזקות יותר, שנקראו "סופר דרדנוט", כבר תפסו את מקומה.
היווצרות הרעיון.
אחד מן הראשונים שהציעו את התפיסה של "תותחים גדולים בלבד" (all-big-gun battleship) היה המהנדס הראשי של הצי האיטלקי, אדמירל ויטוריו קוניברטי. קוניברטי הציע את הרעיון לצי האיטלקי, רֶגָ'ה מרינה, עוד בשנת 1903, אך הרעיון לא התקבל. קוניברטי פרסם את הרעיון בשנתון "ג'יינס", בו תיאר את אוניית המערכה הבריטית ה"אידיאלית": אונייה משוריינת גדולה, בעלת הדחק של 17,000 טון, חמושה בתותחים בעלי קליבר גדול בלבד, בקוטר 12 אינץ' (305 מ"מ), בעלת חגורת שריון בעובי 300 מ"מ, ובעלת מהירות של 26 קשר (מעט יותר מ-44 קמ"ש).
ב-27 – 28 במאי 1905, במהלך מלחמת רוסיה–יפן, התחולל קרב צושימה. בקרב זה הנחיל הצי היפני לצי הרוסי תבוסה מוחצת. הצי היפני היה מצויד באוניות מערכה מתקדמות יותר, אך הלקח העיקרי מהקרב היה שהגורם שהביא לניצחון היפני היה התותחים הגדולים: תותחים אלו, בעלי הקוטר הגדול, אפשרו לנהל קרב בטווחים רחוקים בהרבה ממה שנחזה לפני כן, והקרב התנהל בחלקו מעבר לטווח של התותחים המשניים (כ-11 ק"מ). קצב האש של התותחים העיקריים היה מהיר דיו, ללא צורך בתוספת של תותחים משניים בעלי קצב אש מהיר רק במעט. מעבר לכך, התותחים הגדולים היוו את הנשק המכריע, באשר היו הם אלו שגרמו את הפגיעות המשמעותיות באויב, משמעותיות בהרבה מאלה שגרמו התותחים המשניים.
ארצות הברית, יפן ובריטניה למדו היטב לקחים אלו והחלו בתכנון אוניות מערכה בעלות תותחים גדולים בלבד. אוניית הצי היפני הקיסרי "סאטסומה" הייתה אוניית המערכה הראשונה שנבנתה על-פי תפישה זו, אך עקב מחסור בתותחים (שנגרם גם בשל הקשיים הפיננסיים שהביאה המלחמה) צוידה האונייה רק בארבעה מתוך שנים עשר תותחי ה-12 אינץ' (300 מ"מ) המתוכננים; במקום התותחים החסרים צוידה האונייה בשמונה תותחי 10 אינץ'. גם השריון של "סאטסומה" נחשב כלא מספק, ודרש תכנון מחדש. מערכת ההנעה של "סאטסומה" נותרה אותה מערכת שהייתה באוניות המערכה פרה-דרדנוט.
אה"מ "דרדנוט".
בבריטניה התקדם התכנון במהירות, הודות למאמציו הרבים של אדמירל לורד ג'קי פישר, לורד הים הראשון. פישר קיים דיונים סביב תפיסת "תותחים גדולים בלבד" עוד ב-1904, עוד לפני קרב צושימה; תוצאות הקרב שכנעו אותו להגדיל את קוטר התותחים ל-12 אינץ' (305 מ"מ). פישר הבין היטב את האיום שהחל להתממש בכלי נשק מהפכניים שהופיעו בעשורים האחרונים של המאה ה-19, בעיקר הטורפדו והצוללת; המענה לאיום זה היה מבחינת פישר בהגדלת מהירותן של אוניות המערכה. כיוון חשיבה זה הוביל את פישר לפיתוחן של סיירות המערכה, שנשאו חימוש דומה לזה של אוניות המערכה אך מיגון נמוך בהרבה, ואשר הסתמכו בעיקר על מהירותן הרבה.