Sau khi Hiệp ước Hải quân London năm 1930 được phê chuẩn, Hải quân Hoa Kỳ quan tâm trở lại đến tàu tuần dương hạng nhẹ trang bị pháo 6 in (150 mm), một phần là do sự than phiền của hạm đội về tốc độ bắn chậm của cỡ pháo 8 in (200 mm), chỉ được 3 phát mỗi phút so với tốc độ 10 phát mỗi phút của pháo 6-inch.[3] Vào lúc đó Hải quân Hoa Kỳ bắt đầu áp dụng máy bay không người lái như mục tiêu để thực hành phòng không, vốn có thể mô phỏng cả máy bay ném bom bổ nhào lẫn máy bay ném bom-ngư lôi. Kết quả thực hành mô phỏng đã gây bất an cho hạm đội, vì nếu không có bộ điều khiển hỏa lực và máy tính, tàu chiến của hạm đội hầu như vô vọng trong việc chống đỡ mật độ không kích của đối phương được dự dự báo trong tương lai. Chỉ riêng máy tính cơ học có thể nặng đến 10 tấn và phải bố trí tại các tầng hầm để cân bằng trọng lượng và được bảo vệ thỏa đáng.[4]

Như thực tế của Thế Chiến II đã chỉ ra, các dự đoán trước chiến tranh tỏ ra lạc quan. Cuối cùng mọi khẩu đội phòng không với cỡ nòng lớn hơn 20 mm đều được vận hành điện và ngắm mục tiêu bằng bộ điều khiển hỏa lực và radar. [5]

Lúc thiết kế, lớp Cleveland đã có sự phân bố trọng lượng khá chặt chẻ, nhưng những yêu cầu mở rộng thêm chiều rộng mạn tàu đều bị từ chối vì sẻ làm giảm tiến độ đóng tàu.[5] Nhằm trang bị các bộ điều khiển hỏa lực và radar mới nặng hơn trong phạm vi trọng lượng choán nước của một tàu tuần dương, tháp pháo số 3 được loại bỏ. Điều này cũng cho phép có thêm chỗ để mở rộng cầu tàu để có được một trung tâm thông tin tác chiến mới cùng các bộ radar cần thiết, và còn dư tải trọng cho phép trang bị thêm hai khẩu đội pháo đa dụng 5 in (130 mm)/38 caliber nòng đôi phía trước và phía sau cấu trúc thượng tầng, có được một góc bắn rộng.

Cho dù kém hơn ba nòng pháo 6-inch so với những chiếc lớp Brooklyn và lớp phụ St. Louis dẫn trước, hệ thống kiểm soát hỏa lực mới và tiên tiến hơn giúp cho lớp Cleveland có được ưu thế về hỏa lực trong chiến đấu thực tế. Tuy nhiên việc tăng cường thêm dàn hỏa lực phòng không hạng nhẹ cho đến cuối Thế Chiến II khiến các con tàu bị nặng đầu. Để bù trừ trọng lượng tăng thêm, một số con tàu đã tháo dỡ máy phóng cùng với máy đo tầm xa trên tháp pháo số 1.[6] Vấn đề nặng đầu của lớp tàu ảnh hưởng nặng đến mức mọi bổ sung về thiết bị đều phải đi kèm với việc tháo dỡ một trọng lượng tương đương. Trong vài trường hợp, việc trang bị radar dẫn đường tuần tra chiến đấu trên không đã đưa đến việc tháo dỡ phòng đạn pháo 20 mm.[3]

Các phiên bản cải tiến

Có tổng cộng 52 chiếc thuộc lớp này đã được vạch kế hoạch và 3 chiếc bị hủy bỏ. Chín chiếc đã được đặt hàng lại như những tàu sân bay hạng nhẹ lớp Independence, và 13 chiếc được thay đổi (nhưng chỉ có hai chiếc hoàn tất) sang một thiết kế hơi khác biệt, với một cấu trúc thượng tầng gọn gàng hơn và một ống khói duy nhất, được biết đến như là lớp tàu tuần dương Fargo. Trong số 27 chiếc lớp Cleveland được đưa vào hoạt động, một chiếc (USS Galveston) được hoàn tất như một tàu tuần dương tên lửa điều khiển và năm chiếc sau đó được cải biến thành những chiếc loại này thuộc các lớp Galveston và Providence; hai trong mỗi lớp tàu tuần dương tên lửa điều khiển này có phần cấu trúc thượng tầng được mở rộng để phục vụ trong vai trò soái hạm. Theo thông lệ về cách đặt tên tàu chiến của Hải quân Mỹ vào lúc đó, tất cả các con tàu đều được đặt tên theo những thành phố của Hoa Kỳ.[7]