长门级战列舰在服役期间经历了多项现代化改装。首先，为解决前主桅桅楼与前烟囱距离过近导致的排烟问题，前烟囱被改造成大幅度向后弯曲，以远离桅楼。此外，进行了其他一些小规模的改装，包括改进舰艏设计，以及搭载水上飞机和弹射器。

进入1930年代中期，长门级战列舰接受了大规模的现代化改造。这包括提升主炮的仰角，以增加主炮的射程；加强舰体和炮塔的防护装甲，以及在舰体舯部增加防鱼雷倾斜凸起。为了改善线型和减少航行阻力，舰艉也被延长。锅炉方面，全部更换为专烧重油的新型锅炉，由于锅炉数量减少，临近舰桥的前烟囱被拆除，两个烟囱合并成一个。锅炉排烟问题得到解决。

在舰桥设计上，根据金刚级战列舰改装的经验，长门级战列舰改建了高大且结构复杂的塔式舰桥。同时，加强了防空火力，并继续搭载水上飞机。值得注意的是，尽管进行了这些现代化改装，长门级战列舰并未更换主机，因此改装后的航速有所下降，降至25节。

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