Châu Thâm không bị vỡ giọng nên có chất giọng countertenor (phản nam cao) quý hiếm. Khác với những countertenor thông thường vẫn có màu tối của nam giới, giọng hát Châu Thâm mang âm sắc sắc trong trẻo, mềm mại, cao mà không gắt, tương tự như một Soubrette soprano (nữ cao thiên sứ). Chính chất giọng mang màu sắc kỳ ảo này đã giúp anh được mệnh danh là Siren của Trung Quốc.

Châu Thâm thường dùng kỹ thuật light mixed voice và head voice thay vì falsetto để giọng hát trở nên nhẹ và sáng hơn, giống với âm sắc và cao độ của nữ giới. Phong cách hát của Châu Thâm là sự kết hợp giữa pop và lối hát Bel Canto, điều này thể hiện qua những đoạn ngân nga đậm chất Bel Canto xuất hiện trong hầu hết các ca khúc mà anh thể hiện. Ngoài ra, lối hát dạt dào cảm xúc của Châu Thâm chịu ảnh hưởng từ nữ ca sĩ Đặng Lệ Quân – một trong những thần tượng của Châu Thâm.