Trong một cuộc hội nghị vào tháng 5 năm 1907, Văn phòng Hải quân Đức quyết định tiếp nối theo chiếc tàu chiến-tuần dương duy nhất Von der Tann[Ghi chú 3] bằng một thiết kế được mở rộng.[4] Ngân sách 44 triệu Mác vàng dành cho tài khóa 1908 tạo ra khả năng tăng kích cỡ vũ khí của dàn pháo chính lên 30,5 cm (12,0 in) từ 28 cm (11 in) trên những thiết kế trước. Tuy nhiên, Đô đốc Alfred von Tirpitz cùng với Văn phòng Chế tạo tranh luận rằng việc gia tăng số lượng pháo từ 8 lên 10 khẩu là hợp lý hơn, vì cỡ pháo 28 cm đã đủ để đối đầu ngay cả với thiết giáp hạm. Tirpitz còn lập luận rằng do các lực lượng tuần tiễu của Hải quân Hoàng gia Anh có ưu thế về số lượng, sẽ khôn ngoan hơn để gia tăng số lượng pháo chính thay vì gia tăng cỡ nòng.[4] Bộ tham mưu Hải quân lại giữ quan điểm cho rằng để thiết kế mới có thể tác chiến hiệu quả trong hàng chiến trận, chúng cần có cỡ pháo 30,5 cm. Cuối cùng Tirpitz và Văn phòng Chế tạo đã thắng cuộc tranh cãi, và Moltke được trang bị mười khẩu pháo 28 cm.[4] Các khẩu pháo được bố trí trên năm tháp pháo nòng đôi, trong đó ba chiếc đặt trên trục giữa gồm một phía trước và hai phía sau bắn thượng tầng; hai tháp pháo còn lại được bố trí so le bên mạn giữa tàu.[1] Văn phòng Chế tạo cũng bắt buộc con tàu mới có vỏ giáp ít nhất phải tương đương với Von der Tann và một tốc độ tối đa ít nhất 24,5 hải lý trên giờ (45,4 km/h).[4]

Trong quá trình thiết kế, trọng lượng của con tàu liên tục nặng thêm do gia tăng kích cỡ thành trì, độ dày của vỏ giáp, bổ sung trữ lượng đạn dược và tái bố trí hệ thống nồi hơi.[4] Cuộc chạy đua vũ trang giữa Anh và Đức đã tạo một áp lực nặng lên đội ngũ thiết kế hải quân, buộc phải quyết định chế tạo hai chiếc dựa trên thiết kế mới.[4] Chúng được gọi dưới những cái tên hợp đồng "Tàu tuần dương G" và "Tàu tuần dương H". Do hãng Blohm & Voss đưa ra giá thầu thấp nhất, họ cũng giành được hợp đồng để đóng cả hai chiếc vào năm 1908: "Tàu tuần dương G" được phân bổ trong tài khóa 1908–1909, trong khi "Tàu tuần dương H" được phân cho tài khóa 1909–1910.[5] Hợp đồng chế tạo "Tàu tuần dương G" được trao vào ngày 17 tháng 9 năm 1908 dưới số hiệu chế tạo 200. Nó được đặt lườn vào ngày 7 tháng 12 năm 1908 và con tàu được hạ thủy vào ngày 7 tháng 4 năm 1910. "Tàu tuần dương G" được đưa ra hoạt động vào ngày 30 tháng 9 năm 1911 như là chiếc SMS Moltke.[1]

Trong buổi lễ hạ thủy con tàu vào ngày 7 tháng 4 năm 1910, Helmuth von Moltke the Younger đã đỡ đầu cho con tàu được đặt tên theo người chú, Thống chế Helmuth von Moltke,[6] Tổng tham mưu trưởng quân đội Phổ vào giữa thế kỷ 19.[2] Vào ngày 11 tháng 9 năm 1911, một thủy thủ đoàn bao gồm những công nhân xưởng tàu đã chuyển con tàu từ Hamburg đến Kiel ngang qua Skagerrak.[7] Ngày 30 tháng 9, con tàu được nhập biên chế dưới quyền chỉ huy của Đại tá Hải quân (Kapitän zur See) von Mann,[2] và thay thế cho chiếc Roon trong thành phần Hải đội Trinh sát. Các cuộc chạy thử máy kéo dài cho đến 1 tháng 4 năm 1912.[7]