Goulding sở hữu một chất giọng cao với quãng giọng cao nhất lên đến 3.5 quãng tám,[104][105][106][107][108] với tông giọng như đang thở và chuyển âm một cách cảm xúc.[109][110] Trong một bản đánh giá về album Halcyon, Neil McComick của tờ The Daily Telegraph đã miêu tả giọng cô là một "điều gì đó đặc biệt", đồng thời nói thêm rằng; "Quãng rung run rẩy và chất giọng khan khan nhẹ nhàng khiến chúng ta cảm thấy rất thô sơ và dân dã, những nốt ngân cao như chim hót của cô ấy truyền tải sự trong sáng, giống như của trẻ em; trong khi những tông giọng trầm hơn lại thể hiện độ sâu của nỗi buồn từ thời xa xưa. Cô ấy hát giống như một dây đàn rất căng, tiếng chim véo von trong chùm cảm xúc tuyệt vọng. Giọng hát đặc biệt này là món quà hiếm có nhất và có thể là món quà bất ngờ nhất". Sau đó ông nói thêm về những phần phối bè trong những ản nhạc của cô, "Nhà sản xuất Jim Eliot đã đặt giọng hát đặc biệt của cô ấy lên trước tiên, rồi đằng sau giọng hát đó, xuất hiện những âm thanh trong một bản hợp xướng, những đoạn điệp khúc được cắt ra và phối lại thành tiếng chim hót và tiếng hát Thánh ca, cộng hưởng với tiếng nói thì thầm run run và tiếng huýt sáo".[111] Trong ột cuộc phỏng vấn với Carson Daly, Goulding đã tự mô tả giọng hát của mình;

Tôi nghĩ có vài lúc giọng của tôi nghe giống như kiểu đang mất kiểm soát... Tôi đã thực sự phải kiềm chế giọng hát của mình vì nó hay lên xuống rất khó nghe. Giống như việc có những thứ đến và tôi không hề mong đợi chúng sẽ đến. Nhưng, thực ra [...] Rất là buồn cười khi tôi hay bắt chước các nghệ sĩ opera, nhưng tôi chẳng rút ra được bài học về ca hát nào. À khoan, điều đó đã giúp tôi kiểm soát hơi thở của mình khi hát, nhưng thực sự để nói về một bài học đắt giá trong chuyện giọng hát thì không có.[112]

Will Hermes của tờ Rolling Stone đã so sánh giọng của mình với Dolly Parton, chia sẻ rằng giọng của Parton rất cao và sáng, đồng thời ca ngợi những kĩ thuật điêu luyện của Parton trong việc lồng đa lớp giọng vào phía sau giọng hát của mình.[113] Megan Farokhmanesh của tạp chí Paste đã nói rằng: "Goulding có một giọng hát rất đáng yêu, nhưng cô thường xuyên khiến người nghe có cảm giác đau màng nhĩ với chất giọng cao và sáng" những cũng rất đề cao Goulding khi cho rằng cô là một "tài năng lớn với giọng hát tuyệt vời".[108]

Goulding đã chia sẻ rằng Joni Mitchell và Björk là hai nghệ sĩ ảnh hưởng đến phong cách âm nhạc của cô, cũng như những đồng nghiệp đương thời như Amy Winehouse, Katy Perry, Lady Gaga, Beyoncé, Burial, Taylor Swift, Bon Iver, và Rihanna.[114][115][116][117][118][119] Cô cũng bày tỏ lòng ngưỡng mộ với những rapper như Kanye West, Drake và Nicki Minaj.[120] Phong cách âm nhạc của Goulding cũng được học hỏi từ Kate Nash, Lykke Li và Tracey Thorn.[121]