Trong thực tế, các tàu chiến-tuần dương hiếm khi hoạt động độc lập như được dự định khi thiết kế. Ý tưởng tàu chiến-tuần dương không cần có vỏ giáp chống lại cỡ pháo của chính nó dựa trên lý luận là chúng được thiết kế để tiêu diệt những tàu nhỏ hơn. Điều này được chứng minh thành công trong những trận chiến đầu tiên của Thế Chiến I, như Heligoland Bight và quần đảo Falkland, nơi mà tàu chiến-tuần dương vượt trội so với các tàu tuần dương nhỏ hơn hoặc cũ hơn. Tuy nhiên các cuộc đụng độ sau đó của cuộc chiến chứng kiến ranh giới mờ nhạt của sự bố trí thiết giáp hạm và tàu chiến-tuần dương, khi cả hai kiểu tàu cùng tham gia hàng chiến trận. Trong trận Dogger Bank, tàu chiến-tuần dương đối đầu với tàu cùng kiểu, và tàu chiến-tuần dương không có vỏ giáp cho một trận chiến như vậy. Trận Jutland chứng kiến các tàu chiến-tuần dương của Đô đốc Hipper trước tiên đụng độ với các tàu chiến-tuần dương của Đô đốc David Beatty rồi với các thiết giáp hạm nhanh của Hải đội Thiết giáp hạm 5 Anh Quốc.

Lớp vỏ giáp trên các tàu chiến-tuần dương thế hệ đầu tiên chắc chắn là dày hơn so với tàu tuần dương bọc thép, nhưng sau đó những thiết kế với vỏ giáp dày hơn vẫn không đủ khả năng chống chọi lại hỏa lực từ các tàu chiến-tuần dương khác, khi mà sự gia tăng kích cỡ dàn pháo chính của tàu chiến chủ lực vượt trội hơn sự cải tiến vỏ giáp trên tàu chiến-tuần dương. HMS Lion có dàn pháo chính 343 mm (13,5 inch), lớn hơn đa số các thiết giáp hạm của Hạm đội Biển khơi Đức và nhiều thiết giáp hạm cũ của Hạm đội Grand Anh Quốc. Trong khi Hood có sự bảo vệ thỏa đáng cho thời kỳ Jutland, nó chỉ ở sát giới hạn có thể chống chọi lại được thế hệ tàu chiến chủ lực mới trang bị pháo 406 mm (16 inch) xuất hiện không lâu sau khi nó hoàn tất vào năm 1920, tiêu biểu là lớp Colorado của Mỹ và lớp Nagato của Nhật.[48]

Một số tác giả đã nêu ra việc vỏ giáp yếu hơn trên tàu chiến-tuần dương Anh, khi so với đối thủ tương đương của Đức, là nguyên nhân của những mất mát, nhưng đây không phải là yếu tố quan trọng nhất. Vấn đề chính là một con tàu với vỏ giáp mỏng cho tháp pháo không chịu đựng được việc vận chuyển thuốc đạn kém. Trong Thế Chiến I, tàu chiến-tuần dương của cả Anh và Đức đều có tháp pháo bị đạn bắn thủng. Các tàu Anh đã thể hiện kém, trong khi tàu Đức chịu đựng tốt hơn, là do sự vận chuyển thuốc súng tốt hơn. Không cần phải bắn trúng trực tiếp hầm đạn mới có thể làm nổ tung một tàu chiến-tuần dương Anh, chỉ cần bắn thủng tháp pháo của nó. Về mặt thiết kế Lion được xem là cùng thời với Seydlitz; cả hai đều tương đương về lượng rẽ nước và tốc độ. Chiếc tàu chiến-tuần dương Đức đã đánh đổi cỡ pháo lấy vỏ giáp dày, hơn nhưng sự khác biệt không đáng kể đến mức chúng thể hiện khác nhau trong chiến trận, vì cả Lion và Seydlitz đều bị bắn thủng vỏ giáp hầm đạn vào một lúc nào đó trong quãng đời hoạt động. Đúng hơn, đó là do quy trình vận chuyển thuốc phóng đạn; sự kiện chiếc Seydlitz suýt bị mất trong trận Dogger Bank đã đủ thuyết phục người Đức là họ cần phải cẩn thận hơn. Sau trận đánh, cho dù không được chính thức chỉ thị bởi lãnh đạo Hạm đội Grand, thủy thủ trên một số tàu chiến-tuần dương Anh bắt đầu cho chứa quá nhiều liều thuốc phóng bên ngoài các hầm đạn trong khi lại để ngỏ các cửa ngăn lửa nhằm tăng tốc độ bắn.[49]

Trong Thế Chiến II các cuộc đối đầu gần quy mô lớn giữa các hạm đội đã không diễn ra. Tàu chiến-tuần dương sánh đôi cùng thiết giáp hạm trong các vai trò như cướp tàu buôn (Đức), hộ tống đoàn toàn tàu vận tải, hay trong thành phần các đội đặc nhiệm. Trong các chiến dịch mà tàu chiến-tuần dương từng đối đầu với thiết giáp hạm, như Hood với Bismarck, Scharnhorst với Duke of York và Kirishima với Washington, tàu chiến-tuần dương thường bị tiêu diệt bởi hỏa lực pháo. Lớp tàu chiến-tuần dương Nhật Kongō có lớp vỏ giáp mỏng theo tiêu chuẩn Thế Chiến I, và những nâng cấp cùng hiện đại hóa không thể theo kịp sự tăng trưởng của các cỡ hải pháo. Chúng đã thể hiện kém, khi phòng động cơ của Hiei bị bắn thủng bởi đạn pháo tàu tuần dương 203 mm (8 inch) ở khoảng cách gần trong trận Hải chiến Guadalcanal, trong khi sơ đồ bảo vệ của Kirishima tỏ ra vô vọng trước cỡ pháo 406 mm (16 inch)/45 caliber của Washington.[46] Giống như thiết giáp hạm, tàu chiến-tuần dương tỏ ra mong manh trước ngư lôi, vì nhiều thiết kế thời Đệ Nhất thế chiến thiếu một hệ thống phòng thủ chống ngư lôi mà mãi sau này mới áp dụng cho tàu chiến chủ lực thời Thế Chiến II; khiếm khuyết này được minh họa bởi việc đánh chìm Repulse và Kongō, bị mất nhanh chóng chỉ sau khi trúng phải vài ngư lôi.