Схема бронирования корабля проекта 23бис была значительно упрощена за счет применения по всей длине цитадели броневого пояса постоянной толщины (380 мм), наклоненного под углом 8° наружу (вместо 5° в проекте 23). Это позволило несколько снизить вес бортовой брони без понижения бронестойкости, а в сочетании с сокращением числа носовых траверзов обеспечило возможность, без затраты дополнительных масс, увеличить протяженность цитадели до 72,5 % длины корабля по КВЛ. Такая схема бронирования, согласно расчетам, обеспечивала защиту жизненно важных частей корабля и его боевой плавучести от 406-мм бронебойного снаряда на дистанциях боя от 80 до 155 кбт при курсовых углах 35–50° (вместо 85—155 кбт при 40–50° в проекте 23).
Принятая в проекте 23 система ПМЗ с цилиндрической ОЗП и воздушным цилиндром оказалась весьма сложной в изготовлении. Кроме того, законченная осенью 1939 года серия опытных подрывов двух натурных отсеков линкора проекта 23 выявила преимущества системы ПМЗ американского типа с плоскими продольными переборками. Поэтому в проекте 23бис была предусмотрена ПМЗ типа принятой на тяжелом крейсере проекта 69, но с некоторым утолщением продольных переборок (7 + 20 + 20 + 20+10 мм). Протяженность подводной защиты составила 59 % длины корабля по КВЛ.
Наиболее сложным и проблематичным оказалось придание линкору второй серии скорости полного хода не менее 30 уз при сохранении принятой в проекте 23 ГЭУ. Проведенные в ЦНИИ-45 испытания серии моделей показали возможность повышения скорости хода за счет некоторого удлинения корпуса и заострения его обводов. Отношение длины к ширине принималось равным 7,5 (вместо 7,15), коэффициент общей полноты 0,615 (вместо 0,658). Кроме того, была выявлена возможность повышения пропульсивного коэффициента за счет оптимизации элементов гребного винта. В результате, несмотря на увеличение водоизмещения, расчетная скорость полного хода проекта 23бис составила 30 уз (при мощности 201 000 л. с), а максимального — 31 уз (при 231 000 л. с).
Среди других изменений следует отметить понижение на один ярус палубной надстройки.
В итоге стандартное водоизмещение корабля увеличилось до 60 800 т, а дифферент на корму был исключен. Был рассмотрен и вариант корабля с 12 406-мм орудиями в четырех башнях, однако подробно он не прорабатывался вследствие чрезмерно большого водоизмещения (полное — 74 700 т) и недостаточной скорости хода (28 уз).
Предэскизный проект 23бис был завершен ЦНИИ-45 в декабре 1939 года и послужил материалом для выработки заданий ВМФ по совершенствованию линкоров проекта 23 второй серии.
3 марта 1940 года начальник ГМШ Л.М. Галлер утвердил «ОТЗ на корректуру проекта № 23». Помимо повышения скорости полного хода до 30 уз им предусматривалось усиление артиллерии ЗКДБ (до восьми 100-мм двухорудиных установок), выполнение проработок по размещению 152-мм артиллерии в четырех трехорудийных башнях, выбор более рациональных схем бронирования и ПМЗ. 5 марта Управление кораблестроения ВМФ выдало ЦКБ-4 заказ на работу по составлению проекта ТТЗ на проектирование улучшенного линкора по основному проекту 23, которая должна была быть выполнена в виде предэскизного проекта.
Работы по этому проекту шли в ЦКБ-4 с ориентацией на линкор, существенно отличающийся от проекта 23. Поэтому 25 июля 1940 года Н.Г. Кузнецов подписал письмо НКСП, в котором указывалось, что ЦКБ должно работать над проектом 23бис с учетом германского, американского и отечественного опыта, обратив внимание на повышение надежности всех элементов корабля и скорости полного хода.
Между тем в ЦКБ-4 продолжались работы по вариантам линкора, проект которого обозначался как 23НУ (новый улучшенный). При сохранении общей компоновки и архитектуры корабля, состава и мощности ГЭУ, артиллерии ГК и ПМК (прорабатывались варианты с двух- и трехорудийными башнями), число 100-мм АУ увеличивалось до восьми, а 37-мм автоматов — до 11, кроме того, предусматривалось 20 12,7-мм пулеметов. За счет придания главному броневому поясу наклона 15° полученная в проекте 23 бронестойкость обеспечивалась при меньших толщинах брони (345–390 мм), а толщина наклоненного на 30° носового траверза понижалась до 250 мм.