БА-64 имел дифференцированную противопульную броневую защиту. Броневой корпус БА-64 собирался при помощи сварки из катаных листов броневой стали толщиной, на машинах ранних выпусков, 4, 6, 9 и 12 мм, на всех последующих — 4, 6, 7, 9 и 15 мм. В поперечном разрезе корпус имел шестигранную форму, все его поверхности размещались под углами не менее 30° к вертикали. Лобовая часть корпуса имела ступенчатую форму и на БА-64 была образована: верхним лобовым листом отделения управления толщиной 12, на машинах поздних выпусков — 15 мм, размещавшимся под углом в 40° к вертикали; средним листом, выполнявшим роль крыши моторного отделения, толщиной 6 мм и расположенным по углом в 84°, двумя нижними лобовыми листами толщиной 9 мм, расположенными под углами 30 и 52°. На машинах поздних выпусков два нижних листа были заменены одним, расположенным под наклоном в 32°. Самый низ лобовой части корпуса служил для забора воздуха к двигателю и состоял из 6-мм взаимоперекрывающихся броневых жалюзи. Нижняя часть борта корпуса выполнялась из расположенных под наклоном в 30° бронелистов толщиной 9 мм, на машинах поздних выпусков — 7 мм. Верхние бортовые листы также располагались под наклоном в 30° и имели толщину 6 мм в районе моторного отделения и 9 мм — в районе отделения управления и боевого отделения. Корма корпуса состояла из 9-мм верхнего листа, расположенного под наклоном в 30°, и 6-мм нижнего, имевшего угол наклона в 35°. Днище и крыша корпуса имели толщину, соответственно, 4 и 6 мм[31].
Такой уровень бронирования обеспечивал машине защиту от винтовочных обычных 7,62-мм пуль — со всех дистанций, бронебойных — только для отделения управления и боевого отделения. От 12,7-мм обычных пуль верхний лобовой лист защищал на всех дистанциях, тогда как остальные лобовые листы — лишь на дистанциях более 500 м. От бронебойных же 12,7-мм пуль защищал только верхний лобовой лист, и лишь на дистанциях более 800 м[31]. БА-64Б в целом имел ту же форму корпуса, но толщина нижнего лобового листа была увеличена до 11 мм, до 7 мм — толщина жалюзи воздухозаборника, до 8 мм — крышка воздухозаборника в крыше моторного отделения, до 11 мм — нижнего кормового бронелиста, тогда как толщина верхнего была напротив, уменьшена до 11 мм. Помимо этого, корпус БА-64Б выполнялся из броневой стали марки 77, отличавшейся большей пулестойкостью. Посадка и высадка экипажа на всех модификациях осуществлялась через два люка в нижних листах отделения управления, помимо этого, командир мог осуществлять её через верх башни[32].
Башня бронеавтомобиля имела восьмигранную в плане форму в виде усечённой пирамиды, открытой сверху. Стенки башни располагались под наклоном в 30° и имели на машинах ранних выпусков толщину в 9 мм, на последующих машинах — 10 мм. Башня размещалась на поворотной колонке, опиравшейся на пол боевого отделения, на машинах ранних выпусков связи с крышей корпуса она не имела, но на машинах поздних выпусков для увеличения устойчивости в башне были добавлены четыре ролика, опиравшихся на крышу. Поворот башни осуществлялся вручную, толканием связывавшей её с опорной колонкой дуги. Для фиксации в нужном положении, башня снабжалась ручным тормозом-зажимом. Верх башни на машинах ранних выпусков мог прикрываться откидными металлическими сетками, позднее устранёнными, а также брезентовым тентом для защиты от непогоды. Помимо этого, высота башни на машинах поздних выпусков была увеличена с 275 до 290 мм
