13世紀には、グレゴリオ聖歌のネウマ譜は専ら、音部記号を伴う4本の線の上に「四角ネウマ」を配して記譜されるようになった（記事冒頭の Graduale Aboense の画像参照）。四角ネウマでは、1音節（シラブル）の中で上昇音型を取る数音の音群は、下から上に読む、四角を積み重ねた形で記譜され、下降音型を取る音群は、左から右に読む菱形で記譜される。1音節により多くの音が含まれる場合には、このようなネウマのかたまりを続け、左から右へ読んでいく。オリスクス（oriscus ）、クィリスマ（quilisma）、およびリクェセント（liquescent）の各ネウマは、特別な歌唱法を示しているが、具体的にどのような技法なのかははっきりしていない。変ロ音が使われる時には、変ロ音を含むネウマのかたまりの左に「軟b」がおかれる（右の「キリエ」の譜参照）。必要な場合は、下に線の延びる「硬b」が本位ロ音を示す。現在の聖歌集は主にこの四角ネウマ譜を用いて記譜されている。
聖歌は伝統的には男声に限られ、元来はミサや聖務日課の祈りにおいて、男性聖職者によって歌われていた。しかし、大都市を除いては聖職者の数は限られていたから、次第に世俗男性も合唱に加わるようになった。女子修道院（コンヴェント）では、女性も修業生活の一貫として、ミサ及び聖務日課で歌うことが認められていたが、聖歌隊に加わることは聖職者にのみ許される公的義務とされていたため、世俗女性がスコラ・カントルムなどの聖歌隊で歌うことは認められていなかった[42]。
聖歌は通常、斉唱（ユニゾン）で歌われたが、後には、聖歌に歌詞や音を追加するトロープスや、即興的にオクターブ、5度、4度（後には3度も）の和声を重ねるオルガヌムなどの技法が開発される。しかしトロープスもオルガヌムも、本来の聖歌の曲目に含まれるものではない。これの主要な例外としてはセクエンツィア（続唱）がある。セクエンツィアは、「ユルビス」と呼ばれるアレルヤ唱の引き伸ばされたメリスマ（alleluiaの最後のaを長くのばす）をトロープスにするところから発展したものである。しかし、トロープスもセクエンツィアも、トリエント公会議によってほとんど禁止された。トリエント公会議では、復活祭、ペンテコステ、聖体祝日および死者の日のためのものを残して、セクエンツィアが禁止された。
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中世にグレゴリオ聖歌の歌唱に、実際にどのような歌唱法が用いられていたのかはほとんどわかっていない。時には聖職者が歌い手に対して、もっと抑制的に、敬虔に歌うように要求していることから、しばしば高度に技巧的な演奏も行われていたことが窺われ、それは「ゆっくりとたゆたう癒しの音楽」という今日のグレゴリオ聖歌のステレオタイプ・イメージとはかなり異なっていたと推測される。音楽性の追求と敬神のあいだのせめぎ合いの歴史は古く、グレゴリオ聖歌に名を冠する教皇グレゴリウス1世自身が、説教よりも歌声の魅力に基づいて聖職者が優遇されている現状を批判している[43]。しかし、修道会改革者として知られるクリュニーのオドー（10世紀前半のクリュニー修道院長）は、聖歌の知的、音楽的芸術性を称賛している。
ドイツの修道院の一部では、今でも複合唱による本来的な交唱が行われている。しかし、一般的には、現在では交唱も、独唱者と合唱が交互に歌う、応唱の様式で演奏されている。この習慣は、おそらく中世から行われていたようである[45]。中世に開発されたもう一つの技法として、冒頭の句を独唱者が歌い、フレーズの残りを全体合唱で歌う形式がある。この方法により、独唱者によって聖歌のピッチを定め、合唱の入りを合図することが容易になった。