Помимо повышения огневой мощи при модернизации важное место отводилось усилению бронезащиты. Усиление защиты привело к росту массы танка на 0,9 т, при этом защита лобовой проекции башни была доведена до 500-550 мм эквивалентной толщины стального бронелиста при попадании бронебойных снарядов и 650-700 мм — при попадании кумулятивных снарядов, бортов башни — до 430-470 мм и 550-600 мм, соответственно. Эффективность бронезащиты башни повышена за счет использования наполнителя, содержащего обедненный уран. Выпуск танков с урановой броней начат в 1988 г., эти танки обозначаются М1А1НА (НА — Heavy Armor — усиленная броня). В основном такая броня предназначена против кумулятивных боевых частей ПТУР. К настоящему времени бронепробиваемость современных 120...125-мм БПС достигла 600 мм и более, а БЧ ПТУР — 1200 мм. По этой причине при создании защиты от мощных кумулятивных средств приходится использовать все технические новинки включая и способ с использованием обедненного урана. В упрощенном варианте принцип действия такой защиты заключается в следующем. При подрыве боеприпаса (1) образующаяся кумулятивная струя (2) взаимодействует с блоком, состоящим из броневых деталей (3, 4), между которыми размещен неметаллический наполнитель с установленными в нем урановыми пластинами U₁, U₂, U₃. Кумулятивная струя условно разделена на элементы 1...7. Состояние (а) соответствует пробитию кумулятивной струей детали (3) и началу взаимодействия ее элемента (1) с урановой пластиной U₁, которое происходит при скорости соударения порядка 7 км/с. При такой скорости в элементе (1) возникают ударно-волновые процессы «взрывного» характера, приводящие к дроблению этого элемента с разлетом в зоне наполнителя, диаметр которой значительно превосходит диаметр кумулятивной струи. Состояние (б) отражает факт, при котором благодаря «взрывному» разрушению элемента (1) его осколки разлетелись и застряли в значительной зоне наполнителя, а элемент (2) подошел ко второй урановой пластине U₂. Состояние (в) соответствует «взрывному» разрушению элемента (2) и далее картина повторяется. Спрашивается, какая же роль урановых пластин? Благодаря высокой плотности (в 2,5 раза больше, чем у стали) эти пластины при предельно малой толщине обеспечивают «взрывной» характер разрушения элементов кумулятивной струи.

В рекламных проспектах на турбину AGT-1500 смело утверждалось, что возможен ее запуск при температуре окружающего воздуха -60°С. Может быть и возможен, но только не на танке «Абрамс». Опыт эксплуатации танков М1 отнюдь не в Антарктиде показал, что уже при -32° С запуск ГТД считается рискованным — если с первого раза турбина не запустилась, то на второй уже не хватает емкости аккумуляторных батарей. Температура -43°С является критической — запуск возможен только при заряженных до номинала батареях, предварительно хранившихся в тепле. Учитывая сложности запуска турбины в холодную погоду, на М1А1 установлен вспомогательный энергоагрегат — малогабаритный дизель-генератор, предназначенный для выработки электроэнергии для подогрева батарей и питания электроаппаратуры танка при выключенной основной турбине. Дизель устанавливался далеко не на все танки. Поскольку изначально место в МТО не выделялось, энергоагрегат разместили в бронированном ящике, который весьма коряво навешивается непосредственно на кормовой бронелист корпуса.

Танк М1A1 оснащен новой фильтровентиляционной установкой с автоматическим включением, которая создает избыточное давление в танке (коллективная защита экипажа от ОМП) и обеспечивает подвод очищенного воздуха к индивидуальным маскам членов экипажа, ранние «Абрамсы» имели только индивидуальную систему защиты от ОМП. Система коллективной защиты работает только при включенной турбине и всех закрытых люках танка. Система наддува внутреннего объема танка включается не только при радиологическом или химическом заражении, но и при стрельбе из спаренного с пушкой пулемета, в этом случае ФВУ удаляет из боевого отделения пороховые газы.

Установка дополнительной бронезащиты, более тяжелой пушки и новой ФВУ привело к увеличению массы танка на 2,6 т. В результате пришлось усилить трансмиссию, бортовые передачи и ходовую часть, а также установить более мощные приводы наведения орудия и разворота башни. В конструкцию трансмиссии внесены изменения по результатам эксплуатации танков М1. Увеличено с 21 до 24 МПа давление рабочей жидкости в гидроамортизаторах опорных катков.

Новый комплект ОПВТ позволяет танку преодолевать водные препятствия глубиной до 4 м. Он устанавливался только на так называемые «единые» М1А1, адаптированные под требования корпуса морской пехоты США, но поступавшие на вооружение как КМП, так и армии.

На М1А1 установлена термодымовая аппаратура, дым образуется при впрыске топлива в струю горячих выхлопных газов двигателя.

Внешне М1А1 отличается от М1 120-мм орудием с термоизоляционным кожухом, устройством выверки прицела и экстрактором пороховых газов, а также наличием корзины на тыльной стороне башни и двумя (вместо трех) вышибными панелями в крыше башни над боекомплектом; под гранатометами на наружных стенках башни монтируются контейнеры с запасными гранатами (по шесть гранат к каждому гранатомету).

В 1982—1984 гг. было изготовлено и испытано 14 опытных М1А1. Три из них предназначались для проведения ходовых испытаний (пробег каждого в ходе испытаний достиг 10.000 км). На трех проводились испытания вооружения (по 500 выстрелов из орудия каждого танка), еще на трех проверялась возможность эксплуатации машин в различных климатических условиях. На двух испытывалась новая ФВУ, и последние три опытных М1A1 исследовались в ФРГ на предмет совместимости в бою с танками «Леоапард-2». Серийный выпуск танков М1A1 начат в августе 1985 г., было заказано 4199 машин. Некоторое время танки М1A1 выпускались параллельно с М1IР (внешне М1IР отличается от М1А1 только орудием и тремя, а не двумя вышибными панелями). Производство М1А1 прекращено в 1993 г., изготовлено 3546 танков.

 M1A2 во время испытаний на Ближнем Востоке, август 1992 г.