光华大帝号战列舰的主炮采用12门508毫米50倍径的三联装炮塔设计。前2后2，沿着中轴线对称式布局。
光武器系统就占了总排水量的25%的吨位，四座三联装炮塔配置在舰艏和舰艉，均位于中轴线上，前后依据舰岛对称布置，一座炮塔内三门火炮总重达到2450吨，加上炮塔装甲1090吨）和弹药的重量，单座炮塔的旋回部的重量总重近4000吨，相当一艘轻巡洋舰的吨位了。20英寸的巨大炮管相当于中华帝国海军官兵们的卧铺宽度，铺上被子在里面休息都没问题。
炮塔防护盾的装甲很厚，帝国海军是不允许终极战列舰被敌人打得失去战斗力的，因此重点加强了防护。炮塔正面高达800毫米，可以说连光华大帝号自己发射的20英寸炮弹都无法将其摧毁。炮塔后部装有光华三十三年式35米基线测距仪，安装了电动罗经仪，陀螺水平抗浪稳定仪器，使得光华大帝号战列舰航行时可保持稳定的设计角度，炮塔两侧前面及顶部前面均是500毫米以上的匀质装甲，并且装有潜望式的光学瞄准镜和半机械半电子式的雷达火控瞄准指挥仪器。
20英寸的主炮炮管本身就已经非常大了，加上五十倍径的炮管长度，整个主炮就向一排放倒的粗号的电线杆，移动这个庞然大物依靠巨大功率的电机和强液压引擎，如果不是有核反应堆提供稳定的强大电力供应，普通的电机是无法胜任的。
及时有核反应堆供应电能，其主炮最终的仰角也只有65度，水平旋转只有240度，火炮装填炮弹时，被严格固定在3度位置上，炮塔旋回一周则要2.5分钟的时间。
光华大帝号战列舰的20英寸主炮的发射速度较明级战列舰大幅度降低，每3分钟才能发射一发炮弹。因为炮弹的重量已经达到2吨，尽管使用自动化机械装填方式。但是装填发射药药包剂量不变。数量却大幅度增加，因此需要更多的时间，最终完成主炮射击准备速度自然就慢了。为了配合强大的续航力，超级巨炮的炮弹基数也大幅度增加，为每门炮备弹200发。
原本明级战列舰的18英寸主炮因为主炮膛压太大，发射时将会磨掉大量的膛线，因此明级战列舰的主炮发射100发左右后，就必须返厂维修更换炮管了。但是考虑到光华大帝号战列舰的主炮炮管换装工程太过复杂，更换炮管需要至少三个月的时间，这在战争状态下是不允许的。因此。为了增强炮管寿命。中华帝国海军武器工程处首次在该主炮炮管上采用了最先进的材料和冲压技术。
至光华三十五年，中华帝国在火炮用钢管制造工艺上已经相当的先进了，首次实现了ckp-502型中碳镍铬铂系合金钢，这种钢管采用的传统中华特种钢的工艺基础上。还要加上镀铬，严格说来，不是仅仅镀，还有“渗”的步骤，主要是增加炮管的内部硬度、光滑度，镀、渗铬后，又经过最先进的圆锥形内壁挤压技术和还有渗硫工艺等等，总之都是为了增加管内的光滑度、耐磨度、耐腐蚀度，另外给光华大帝号主炮炮管还有保密元素，里面增加少量的钒金属来提升综合表现性能。可以同时适应发射高低速穿甲弹、高低速破甲燃烧弹~~-更新首发~~等，采用这种先进炮管制造工艺后，使得炮管的寿命达到了400发。而同等级的战列舰主炮当中，德国的兴登堡级战列舰所用炮管算是寿命最长的了，但也只有120发。中华帝国在特种合金钢方面足足领先德国30年以上，这个巨大的成就令人振奋，凸显中华民族的伟大创造能力。
主炮射击时的后坐力一直是困扰超级战列舰的最大难题之一，中华帝国的明级战列舰的12门18英寸主炮指向一舷齐射时，其后座力达10000吨，发射时冲击波也非常强。造成战舰横摇周期叠加至12秒，战舰倾斜角度很大影响综合作战能力。
为此帝国舰政总署的设计师们煞费苦心，经过对后四艘明级战列舰和为苏联建造的苏联级战列舰主炮的研究之后，最终罗森博格等人在z29反坦克战车上安装的反后坐力系统实验成功，海军工程署借助其原理和经验。开发出zp12型反后坐力系统，并安装到光华大帝号战列舰上。使得12门20英寸主炮一侧齐射时，后坐力大幅度降低，只有2200吨的后坐力。同时，明级战列舰没有解决的主炮射击后气浪冲击波问题也一并解决了，后坐力系统实际上利用了80%的气浪冲击波来抵消后坐力，两个问题同时解决。
作为终极战列舰，光华大帝号战列舰的火力打击能力是放在第一位置的。在口径、倍径和主炮数量确定下来后，提高炮弹穿甲威力和精度就成为了重点。
mk-37主炮（1937年上舰安装）依然使用低初速高存能的重型穿甲弹头，目的是能够远距离击穿同等级的终极战列舰的装甲。炮口初速为805米/秒，最大射程达到65公里（45度仰角），炮弹需飞行96秒。由于中央火控雷达指挥系统性能的大幅度提升，有效雷达测距指挥距离达到50公里，因此主炮有效打击距离也扩大到50公里，基本上接近超视距作战的最低标准了，这也是舰载火炮的极限打击距离了