Nassau được đặt hàng dưới cái tên tạm thời Ersatz Bayern, như là chiếc nhằm thay thế cho chiếc tàu frigate bọc thép Bayern thuộc lớp Sachsen.[Ghi chú 2] Nó được đặt lườn vào ngày 22 tháng 7 năm 1907 tại xưởng tàu Kaiserliche Werft ở Wilhelmshaven với số hiệu chế tạo 30.[2] Công việc chế tạo được giữ bí mật tuyệt đối; binh lính được phân công bảo vệ cho chính xưởng đóng tàu cũng như cho các nhà thầu cung cấp vật liệu chế tạo, ví dụ như hãng Krupp.[3] Con tàu được hạ thủy vào ngày 7 tháng 3 năm 1908; việc trang bị được hoàn tất vào cuối tháng 9 năm 1909. Nó được đưa ra hoạt động cùng Hạm đội Biển khơi Đức vào ngày 1 tháng 10 năm 1909.[2] HMS Dreadnought, con tàu đã thúc đẩy việc chế tạo Nassau, được hạ thủy vào ngày 2 tháng 2 năm 1906, khoảng 25 tháng trước chiếc Nassau.[4] Con tàu đã làm tiêu tốn cho Hải quân Đức hết 37.399.000 Mark vàng.[2]

Nassau có chiều dài 146,1 m (479 ft), mạn thuyền rộng 26,9 m (88 ft) và độ sâu của mớn nước là 8,9 m (29 ft). Nó có trọng lượng choán nước tiêu chuẩn 18.570 t (18.277 tấn Anh), và lên đến 21.000 t (20.668 tấn Anh) khi đầy tải, cùng 16 ngăn kín nước. Nassau giữ lại loại động cơ hơi nước ba buồng bành trướng đặt dọc đã lạc hậu công suất 22.000 mã lực thay vì áp dụng kiểu động cơ turbine hơi nước tiên tiến hơn.[2] Loại động lực này đã được chọn theo yêu cầu của cả Đô đốc Alfred von Tirpitz lẫn Bộ phận Thiết kế Hải quân; cơ quan này vào năm 1905 đã khẳng định "bản thân việc sử dụng động cơ turbine cho tàu chiến hạng nặng không được khuyến cáo."[5]

Nassau mang theo mười hai khẩu pháo 28 xentimét (11 in) SK L/45[Ghi chú 3] phân bố trên sáu tháp pháo theo một hình lục giác khá bất thường. Dàn pháo hạng hai bao gồm mười hai khẩu pháo SK 15 cm (5,9 in) L/45 và mười sáu khẩu pháo SK 8,8 cm (3,5 in) L/45 gắn trên các tháp pháo ụ.[2] Con tàu cũng được trang bị sáu ống phóng ngư lôi chìm 45 cm (18 in); một ống trước mũi, một ống khác phía đuôi, và hai ống bên mỗi mạn tàu về phía cuối vách ngăn chống ngư lôi.[6]