高雄级由妙高级重巡洋舰的基础上改进设计，基本规格、性能及武器配置与妙高级差不多。与妙高级最显著的区别是高雄级采用更大的宛如城堡般的舰桥结构，舰桥结构体积是妙高级的三倍，因为要容纳更复杂的指挥设施以及舰队旗舰设施，拥有更强的舰队指挥能力。高雄级安装新式10门双联装20.3cm口径主炮，使用九一式穿甲弹，相比妙高级装备的20cm口径主炮威力增强，主炮最大仰角70度(实际最大仰角55度)并能对空射击。炮塔布局形式与妙高级相同，第三号炮塔因指向舰桥方向而无法向前方射击。装备8门双联装61cm口径鱼雷发射管，与妙高级有所不同，鱼雷发射管由舰体内的中甲板固定式移到上甲板，改为4座双联装回转式发射管。由于鱼雷发射管占用上甲板，增加了一层掩蔽甲板用于布置高射炮。高雄级在两舷装备有两座飞机弹射器，而妙高级则只有一座。相对妙高级还加强了防御装甲，加强弹药库防护，可抵御8英寸口径炮弹。
由于排水量受到条约限制，而舰桥等上部结构加重，导致复原性下降的问题，为节省重量又导致强度不足的情况。在妙高级的基础上改进设计的高雄级的续航距离与稳定性等方面较妙高级差，而且超重情况较妙高级严重。“友鹤事件”及“第四舰队事件”事故之后，高雄级采取了压载物降低重心的措施，进行了舰体结构加强的改装。
1938年高雄、爱宕在舞鹤工厂进行现代化改装，舰体增加水下隔舱，加强稳定性和对鱼雷的防护；大型化舰桥缩小工程，使舰体重心下降。用四联装鱼雷发射管替代双联装发射管。后烟囱与第4炮塔之间的上层建筑拆除，原位于后烟囱之后的桅杆向后移到第4炮塔前，上甲板增设遮蔽甲板作为航空甲板供水上飞机停放；改装高射炮，提高防空能力，改进指挥设施。鸟海号、摩耶号因战争形势未进行现代化改装，仅进行了少量改进。
在太平洋战争中，高雄级各舰进行加装高射炮以及雷达等的改进。摩耶号在修理过程中进行了大改装，拆除了第三主炮塔（位于舰桥前），强化防空火力，舰体增设防鱼雷隔舱，并加装了雷达等电子设备。
