M4A3E2在原版M4A3坦克的车体基础上，在前方和侧面都分别额外焊接了一块1.5英寸（38mm）的轧制装甲板，后部装甲和车顶装甲则没有得到任何加强。这就使得M4A3E2的首上装甲厚度达到了102mm，侧面则为76mm，这也极大地提升了M4A3E2在战场上的生存能力。
这样一来，M4A3E2坦克车体正面50°倾角的102mm钢装甲，在炮弹从正面法线方向入射的情况下，等效厚度达到了高达178mm均质钢！换句话说，连虎式坦克的56倍径88mm拿M4A3E2的车体正面都基本上是毫无办法的，更不要说一票43/48倍径的75mm火炮了。只有黑豹坦克的70倍径75mm火炮和虎王的71倍径88mm火炮能够从正面击穿M4A3E2的车体装甲。

M4A3E2的炮塔则是源自于T23实验中型坦克的炮塔，只不过M4A3E2的炮塔也在T23的基础上大幅加强了装甲厚度。除炮盾外，M4A3E2的炮塔装甲厚度无论是前后左右都达到了152mm，仅有炮塔座圈上部较为难以被击中的一圈装甲保留了T23的63mm装甲。
而M4A3E2那厚实的炮盾更是丧心病狂，在M3型75m火炮原本50mm厚的内炮盾外，M4A3E2还在外层焊接了一块厚达127mm的装甲，使得炮盾装甲的总厚度高达177mm，基本与车体正面的防护水平持平。而且这个由近一吨钢材打造的炮盾覆盖了炮塔正面超过3/4的面积，也极大提升了M4A3E2炮塔正面的抗打击能力。
相比于T23中型坦克的9303kg重的原装炮塔，M4A3E2的炮塔足足增重了2267kg，仅炮盾就比原本的炮盾增重498kg。当然，装甲的极大加强也使得M4A3E2的重量急剧上升，战斗全重达到了38.1吨，比普通的M4A3足足重了5吨。

底盘编号50326的M4A3E2在阿伯丁试验场进行行驶实验后，作为靶车结束了短暂的一生

第一辆底盘编号50326的量产型M4A3E2在1944年6月8日被运送到克莱斯勒坦克试验场进行公路和野外行驶实验，以测试更重的车身是否会给动力和悬挂系统带来较大影响。此后在1944年9月，这辆M4A3E2又被送到了阿伯丁坦克试验场进行防护能力测试直至彻底报废。
在试射中，实验人员使用75mm、76mm火炮向M4A3E2的车体、炮塔正面射击，结果无一击穿。即便使用90mm火炮向其射击，M4A3E2的表现也相当坚挺，仅有射向首上上半部分的一枚90mm炮弹勉强击穿了101mm的倾斜首上装甲。

如果一定要与同等强度做一个对比的话，就连虎式坦克的正面装甲都没有M4A3E2坚挺。不过美中不足的是，原版M4A3E2只安装了短身管75mm火炮，反坦克火力略有不足。如果一辆M4A3E2在战场上正面遭遇一辆虎式坦克，那么它们都将无法击穿对方的正面装甲。

四.M4A3E2的实战表现
对M4A3E2服役和作战动态的追踪是一件非常困难的事情，因为在当时绝大部分美军记录中，M4A3E2都被标注为了普通的M4A3。但即便如此，这里还是找到了M4A3E2在服役期间的一些具体史料。

一辆隶属于第三装甲师的M4A3E2，摄于1945年3月6日的科隆

1944年8月14日，第一批M4A3E2抵达纽约港，准备装船并运往西欧前线。1944年9月22日，这批共128辆M4A3E2抵达法国。截至1944年10月24日，美国陆军第五军共接收了105辆M4A3E2，第三军接收了90辆，第九军接收了60辆。除此之外，其他美军单位以及自由法国陆军也有少量装备。
M4A3E2共生产了254辆，全部投入了欧洲前线，其中最后一批共9辆于1944年11月6日交付美第一军第746坦克营。

M4A3E2在西欧前线展现出了良好的防护性能和生存性能，广受前线官兵的好评。图中这辆被击毁的M4A3E2隶属于美第743装甲营，在1944年11月22日在德国小镇朗恩（Lohn）附近被击毁。当时它在约730m距离上遭到了一门Pak43型88mm反坦克炮的正面伏击（这也是虎王坦克的主炮），反坦克炮用了足足四发炮弹才将其击穿。

其中第一发命中了首上装甲并发生了跳弹，第二和第三发都命中了厚达177mm的炮盾但都没有击穿。第四发炮弹则鬼使神差地命中了炮盾左侧上部的炮手瞄准具并穿入了车内，炮弹装药爆炸并引发了车内弹药殉爆，把这辆M4A3E2的炮塔掀飞。
如果这是一辆普通的M4A3，别说距离只有730m，就是1730m，它也不可能在正面抗住哪怕一发Pak43反坦克炮发射的88mm炮弹。

同样是在1944年11月22日的德国小镇朗恩（Lohn）附近，隶属于743营的另外一辆M4A3E2也被抛弃。它先是触发了一枚反坦克地雷并被炸断了履带，但所幸无人伤亡，在发现履带无法修理并且动力系统也遭到损坏之后，车组成员弃车而逃。此后它被德军发现，但此时夜幕已经悄然降下，德军不知道这已经是一辆空无一人的坦克，便以数门Pak40型75mm反坦克炮以及其他武器向这辆已经被抛弃的M4A3E2轮番射击。
这辆M4A3E2被命中至少14发75mm炮弹，但却没有一发炮弹成功击穿它的装甲，只是在厚厚的装甲留下了一道道弹痕，足见M4A3E2防护的坚挺。

M4A3E2的防护坚挺，但也正因如此，它常常被美军作为进攻作战的急先锋冲锋在前，也因此蒙受了较大的损失。在侧面遭受反坦克炮伏击或是触雷的情况下，M4A3E2还是比较容易被瘫痪或是击毁的。仅仅在第四装甲师的一次作战中，该师在一次进攻行动就中一共损失了24辆M4A3E2。要知道，这个数字已经占到了这款坦克总产量的十分之一。