Наиболее существенной перестройке за годы службы подвергся головной «Дойчланд». К его переделке пришлось приступить сразу после ввода в строй, поскольку некоторые виды вооружения имели явно временный характер. К 1935 году его 500-мм торпедные аппараты уступили место новым 533-мм, прикрытым легкими броневыми щитами. В 1934 году корабль получил КДП 88-мм зенитной артиллерии и одновременно — спаренные 88-мм пушки вместо одинарных. В конце того же года в ходе планового ремонта заменили вспомогательный паровой котел, а также переместили прожектор на мачте. (Сама мачта «обросла» дополнительным мостиком.) В ходе следующего зимнего ремонта с ноября 1935 года по январь 1936 года на «броненосце» появилась катапульта и устройства для приема второго гидросамолета. Следующее переоборудование совпало с большим ремонтом во второй половине 1937 года после попадания испанских бомб. Основные работы выполнялись внутри корпуса: подкреплялись основания дизелей и палуба платформы в районе энергетической установки, что несколько ослабило общую вибрацию на больших ходах. Произошли, однако, и изменения во внешнем виде — прожекторы по бокам от трубы переставили с трубчатых подпор на более легкий мостик, проходивший по самому верху трубы, а для того, чтобы на нем мог находиться персонал, саму трубу в 1938 году снабдили наклонным козырьком. По обе стороны (в нос и корму) от 150-мм установок появились выгородки, препятствовавшие распространению дульных газов при стрельбе. На топе передней мачты появилась антенна радиолокатора FuMG39. Годом позже на трубе установили наклоненный назад козырек. В 1939 году произошла замена радиолокатора на новый FuMO22; бипланы Хенкеля отправились на берег вместе с посадочным тентом, а их место заняли новые «Арадо-196».
После неудачного рейда в Атлантике в конце 1939 года зенитное вооружение «Дойчланда» дополнили четырьмя 20-мм автоматами МGС/30. Более значительное усиление ПВО было осуществлено при исправлении последствий торпедного попадания в апреле 1940 года, когда 88-мм зенитки уступили место 105-мм спаркам SКС/33. Тогда же бывший «Дойчланд», а отныне «Лютцов» получил наклонный «атлантический» нос, хотя и менее ярко выраженный, чем, например, на тяжелых крейсерах или больших линкорах, а общая длина его корпуса увеличилась тем самым примерно на 2 м.
В середине войны (1942 год) козырек на трубе заменили на более высокий и большой, а на крыше носовой башни появился счетверенный 20-мм автомат армейского образца. Второй «фирлинг» установили в том же или следующем году, одновременно заменив прожектор на мачте-надстройке на одиночный 20-мм автомат. Армейские четырехствольные установки просуществовали недолго; к 1944 году их сняли в ожидании аналогичных флотских автоматов на стабилизированных лафетах, которые, однако, попали на «Лютцов» не скоро. В последний год войны зенитное вооружение неоднократно менялось и усиливалось. Если в марте 1944 года оно состояло из исходных восьми 37-мм и одиннадцати одиночных 20-мм автоматов, то уже с августа того же года началась постепенная замена пушек обоих типов на одиночные 40-мм «бофорсы» (Flак-28). В конце 1944 года «броненосец» имел шесть «бофорсов», четыре 37-мм и двадцать шесть 20-мм автоматов. Часть одиночных 20-миллиметровок уступила место спаренным установкам LM-44 того же калибра, в дополнение появилось три мощных «фирлинга» морской модели со стабилизацией в трех плоскостях. Общее число 20-мм стволов достигло 28: 3 счетверенных, 6 спарок и 4 одиночных. Но и это вооружение не стало окончательным. В соответствии с программой единого перевооружения ПВО в 1945 году на «Лютцове» должно было быть десять 37-мм автоматов новой модели с высокими характеристиками, которыми предполагалось заменить «бофорсы» и уцелевшие 37-мм спарки, но, как и на большинстве других уцелевших крупных кораблей Кригсмарине, работы велись медленно и завершены не были.
По сравнению с головным кораблем серии «Шеер», более поздний и совершенный, менялся значительно меньше. Сколько-нибудь существенные модернизации начались в 1936 году, хотя и до этого при ежегодных ремонтах производились работы, оставившие следы в виде измененного рангоута и нового крана для подъема самолетов. Весной 1936 года для улучшения возможностей в ночном бою на нем оборудовали специальные платформы по бокам башенноподобной надстройки (на уровне командирского мостика), на которых установили по 3-метровому специальному дальномеру с большой светосилой для торпедной стрельбы в темноте. На других платформах, сбоку от трубы, появились два 20-мм автомата. 150-мм батарею оградили выгородками-щитами против действия дульных газов.
Значительные работы по машинной установке проводились летом 1939 года (переборка дизелей) и с февраля по июль 1940 года (укрепление оснований и перестройка моторных отделений). В результате сильно изменился внешний облик корабля. Место многогранной башенноподобной надстройки заняла трубчатая мачта по типу «Дойчланда», однако с совершенно другим расположением мостиков и платформ, буквально облепивших ее со всех сторон. Позади трубы появилась задняя мачта-тренога, а по левому борту установили новый кран. Корпус получил «атлантический» форштевень — наклонный и вздернутый, что уменьшило заливаемость носовой части, выявившуюся в ходе крейсерства. В то же время было установлено размагничивающее устройство и наклонный козырек на трубе, отводивший газы от мостиков и постов управления огнем в корму. "Карманный линкор" избавился от неудачных устройств — в частности, от посадочного тента для приема гидросамолетов и успокоителей качки, помещения которых приспособили для дополнительных топливных цистерн и кладовок. Во второй раз был заменен кран для подъема гидросамолетов. Изменилось и вооружение: 88-мм орудия уступили место 105-миллиметровкам SKC/33, исчезли 20-мм автоматы с платформ по бокам от трубы, а вместо них появились два четырех-ствольных «фирлинга» армейского образца (без стабилизации), один из которых разместился на крыше носовой башни, а второй — сразу за кормовой, за изломом полубака. В 1941 году заварили иллюминаторы в носовой части и добавили стеллажи для еще 2 запасных торпед. Тогда же на задней башенке управления «Шеера» появился радиолокатор FuMO-26.
В середине 1942 года последовали дополнительные изменения: козырек на трубе увеличили в размерах, сняли один из прожекторов, переместив парный с ним на платформу у трубы по диаметральной плоскости, а на их первоначальное место на трубе вновь «посадили» две 20-мм одностволки, снятые двумя годами раньше. Второй локатор FuMO-26 заменил FuMO-22 на передней мачте. Одновременно были установлены стандартные немецкие средства пассивного обнаружения излучения неприятельских РЛС ("Ява" и "Тимор").
Далее, по мере усиления угрозы с воздуха, на «Шеере», как и на «Лютцове», начался бурный рост числа зенитных автоматов, достигший вскоре 25 стволов. К лету 1944 года помимо исходных 8 37-миллиметровок здесь имелось 4 «фирлинга» и 9 одиночных 20-мм автоматов. Затем началась замена части 37-мм спарок на одноствольные 40-мм «бофорсы». По плану единого перевооружения "карманный линкор" должен был иметь в 1945 году 4 40-мм, столько же 37-мм и 42 20-мм ствола, однако реально весь объем работ так и не удалось осуществить. Окончательное зенитное вооружение составило четыре 40-мм, восемь 37-мм и тридцать три 20-мм автомата.
Недолго проживший «Шпее» практически не модернизировали, ограничившись в 1938 году заменой 88-мм зениток на 105-мм, установкой РЛС и снятием прожекторов с платформ по бокам башенноподобной надстройки. (У восьмиугольного топа самой «башни» несколько скруглили углы.) От посадочного тента избавились уже в ходе рейда в Южной Атлантике, просто сбросив его за борт.
Последний и наиболее мощный из "карманных линкоров" имел самую недолгую, но яркую карьеру. Он получил название в честь вице-адмирала графа Максимилиана фон Шпее, командовавшего немецкой заморской крейсерской эскадрой в Первую мировую войну, разгромившего англичан в бою при Коронеле и погибшего 8 декабря 1914 года на борту броненосного крейсера «Шарнхорст» в сражении у Фолклендских островов. Его именем предполагалось назвать заложенный в 1915 году линейный крейсер типа «Макензен», однако поражение Германии в 1918 году не дало плану осуществиться. И вот 30 июня 1934 года дочь фон Шпее, графиня Губерта, разбила традиционную бутылку шампанского о борт спускаемого на воду корабля, носящего имя ее отца. В память о победном бое адмирала у берегов Чили на башенноподобной надстройке появилась готическая надпись «КОРОНЕЛЬ».
Полтора года корабль достраивался на плаву, 5 декабря 1935 года начались заводские испытания у стенки, а 6 января 1936 года "броненосец С" был принят на службу в Кригсмарине. В командование им вступил капитан цур зее Патциг. Последовали пробы в море, завершившиеся лишь к маю, когда "Адмирал граф Шпее" был окончательно введен в строй. На мерной миле в Нойкруге он развил 28,5 узла при водоизмещении 14 100 т и мощности 53 650 л.с. Кренгование показало не вполне достаточную остойчивость: при полном запасе топлива метацентрическая высота составляла 0,67 м — наименьшее значение из всех единиц серии. Выявился ряд недоработок в дизельной установке, которые, впрочем, быстро ликвидировали. Подтвердилась неудачность расположения вспомогательного котла над броневой палубой и компоновки некоторых других элементов оборудования. По-прежнему сильной оставалась вибрация, а вот шум удалось побороть: в этом отношении «Шпее» оказался наиболее удачным из всех карманных линкоров". Выяснилось, что для продолжительного хода свыше 18 узлов следует брать на борт дополнительный персонал механиков. Комиссия сделала еще несколько замечаний, однако времени для их немедленной реализации не оставалось. Напряженная обстановка в мире и в Европе требовала как можно более быстрого подключения самой мощной и современной единицы флота, поэтому уже в ходе испытаний линкор совершил несколько учебных плаваний. «Шпее» сразу же была уготована высокая роль: 29 мая он стал флагманом Кригсмарине на большом морском параде с участием Гитлера и других высших лиц третьего рейха.
