Giọng hát của Callas đến nay vẫn còn là vấn đề gây tranh cãi [15]. Walter Legge khẳng định rằng Callas sở hữu một giọng hát phức tạp của một nghệ sĩ lớn, một chất giọng có thể nhận ra ngay từ đầu [37]. Trong cuốn "The Callas Debate", nhà phê bình người Ý Rodolfo Celletti nói rằng: "âm sắc của giọng Callas, thực sự rất xấu... Nhưng tôi tin rằng sự lôi cuốn của cô lại là bởi chính điều này. Tại sao ư? Bởi thay vì sự son phấn, nhung lụa và giàu có, chất giọng cô lại có được những âm sắc đặc biệt mà khó có thể quên" [24]. Thay vì không có một chất giọng đẹp cổ điển, Callas lại có thể thay đổi âm sắc để làm sao cho phù hợp với từng vai diễn, từng nhân vật mà bà đóng [15][22].

Nhạc trưởng Carlo Maria Giulini đã miêu tả sự hấp dẫn của giọng hát Callas:

Kiểu giọng

Chất giọng của Callas rất khó để có thể xếp vào hệ thống phân loại giọng hiện đại hay cổ điển nào, khi mà trong sự nghiệp, những tiết mục của bà bao gồm cả những vai kịch tính nặng nhất cũng như những vai mà chỉ được dành cho những chất giọng coloratura soprano cao nhất, sáng nhất và linh hoạt nhất. Về sự đa dạng đó, nhạc trưởng Serafin nói: "Người phụ nữ này có thể hát tất cả những gì viết ra dành cho giọng nữ [5]. Micheal Scott khẳng định rằng giọng Callas là chất giọng soprano cao tự nhiên [8], bằng chứng là những bản thu thời kì đầu của bà. Rosa Ponselle cũng cảm thấy như vậy: "Ở giai đoạn phát triển, chất giọng của cô thuần chất dramatic coloratura - một chất giọng màu sắc cỡ lớn cùng với khả năng kịch tính, chứ không phải cái gì khác" [38]. Mặt khác, John Ardoin lại cho rằng Callas là sự tái hiện của một giọng soprano sfogato hay "nữ cao không giới hạn" ở thế kỉ 19, giống như Maria Malibran và Giuditta Pasta, hay cho rất nhiều vở opera giọng đẹp (bel canto) đã được viết ra. Ông khẳng định rằng giống như Pasta và Malibran, Callas là một giọng nữ trung tự nhiên mà âm vực được mở rộng nhờ sự luyện tập và ý chí, kết quả đã đem lại một chất giọng thiếu đồng nhất về màu sắc và đều đặn trong âm giai là những thứ sáng giá trong ca hát. Đã có những phân vùng không thể điều khiển trong giọng hát của họ. Ví dụ, với nhiều người từng nghe Pasta, bình luận rằng dường như những note cao nhất của bà được tạo ra bởi thuật nói tiếng bụng, một sự cáo buộc mà về sau đã chống lại Callas [15]. Ardoin chỉ rõ những trang viết của Henry Fothergill Chorley về Pasta mà có sự giống nhau một cách lạ kì như khi diễn tả về Callas [15].

Callas cũng đồng ý với Ardonin không chỉ ở điểm bà khởi đầu có chất giọng nữ trung, mà cũng nhìn thấy sự tương đồng giữa bà với Pasta và Malibrian. Năm 1957, Callas miêu tả chất giọng khởi đầu của bà: "Những âm sắc tối, thực sự rất tối - và tôi nghĩ đến nó như một thứ mật đường", và vào năm 1968, bà nói: "Họ nói tôi không phải là một giọng soprano thật sự. Thực ra tôi gần với một giọng nữ trung hơn" [3].

Âm vực

Trong những năm trước khi giảm cân, giọng Callas là giọng soprano đầy năng lượng, In the years prior to her weight loss, Callas's voice was a powerful soprano, the sheer size of which was much commented upon,[17] and there were no complaints about unsteadiness even in the most exposed passages.[8] In his review of Callas's 1951 live recording of I Vespri Siciliani, Ira Siff writes, "Accepted wisdom tells us that Callas possessed, even early on, a flawed voice, unattractive by conventional standards — an instrument that signaled from the beginning vocal problems to come. Yet listen to her entrance in this performance and one encounters a rich, spinning sound, ravishing by any standard, capable of delicate dynamic nuance. High notes are free of wobble, chest tones unforced, and the middle register displays none of the "bottled" quality that became more and more pronounced as Callas matured."[39] In a 1982 Opera News interview with Joan Sutherland và Richard Bonynge, Bonynge stated, "But before she slimmed down, I mean this was such a colossal voice. It just poured out of her, the way Flagstad's did... Callas had a huge voice. When she and Stignani sang Norma, at the bottom of the range you could barely tell who was who... Oh it was colossal. And she took the big sound right up to the top."[40] In his book, Michael Scott makes the distinction that whereas Callas's pre-1954 voice was a "dramatic soprano with an exceptional top", after the weight loss, it became, as one Chicago critic described the voice in Lucia,[17] a "huge suprano leggiero".[8] In performance, Callas's range was just short of three octaves, from F-sharp (F#3) below middle C (C4) heard in "Arrigo! Ah parli ad un core" from I Vespri Siciliani to E-natural (E6) above high C (C6), heard in the same opera as well as Rossini's Armida and Lakmé's Bell Song. After her June 11, 1951 concert in Florence, Rock Ferris of Musical Courier said, "Her high E's and F's are taken full voice."[17] In a French TV interview, Callas's teacher Elvira de Hidalgo spoke of her voice soaring to a high E, but did not mention the high F.[11] Although no definite recording of Callas singing high F's have surfaced, the presumed E-natural in her performance of Rossini's Armida—a poor-quality bootleg recording of uncertain pitch—has been referred to as a high F.[24]

Âm khu

Giọng của Callas theo Walter Legge và những nhà chuyên môn khác [24] gồm ba loại khoảng âm (âm khu) khác nhau. Khoảng âm trầm hay giọng ngực thì rất tối và thậm chí còn giống giọng baritone, và bà đã sử dụng khoảng âm này để tạo nên hiệu quả kịch tính, often going into this register much higher on the scale than most sopranos [37]. Khoảng âm trung lại bao gồm những âm thanh rất đặc biệt, "một phần của oboe, một phần clarinet", như Claudia Cassidy miêu tả về nó [15]. Walter Legge cho rằng âm thanh đó là do "sự cấu tạo đặc biệt của vòng miệng trên của cô, có hình dạng như mái vòm kiểu Gothic, chứ không phải kiểu Roman như của người bình thường" [37]. Khoảng âm cao lại rộng và sáng, cùng với, với sự mở rộng ấn tượng dưới note C cao (C6), tạo nên sự tương phản giữa những âm thanh sáng giống như tiếng sáo của một giọng soprano màu sắc mà bà đã hát với những âm thanh của khoảng âm trầm [15]. Và khi bà hát phần cuối của vở La Sonnambula trong đĩa của EMi và bản thu trực tiếp ở Cologne, bà đã biểu diễn một diminuendo tới note Mi giáng cao, mà Michael Scott đã miêu tả như "một kì công vô song trong lịch sử ghi âm" [8].

Sự linh hoạt của giọng Callas đã cho phép bà hát những thể loại nhạc khó một cách thoải mái và đầy kĩ thuật. Theo lời Walter Legge, kể cả những thứ âm nhạc cầu kì khó khăn nhất, sẽ không có một trở ngại về kĩ thuật âm nhạc nào "mà cô không thể thực hiện với một sự thoải mái giản dị đáng kinh ngạc. Lối chạy note nửa cung, sự xuống giọng của cô thực uyển chuyển đep đẽ, và những màn staccato luôn luôn chính xác, cho dù ở trong những quãng đòi hỏi sự khéo léo nhất. There is hardly a bar in the whole range of nineteenth century music for high soprano that seriously tested her powers."[37]. Ngoài ra, Callas còn sở hữu lối rung láy (trill) đẹp đẽ ở tất cả các quãng giọng [41].

Sự kết hợp giữa âm vực, âm lượng và khả năng linh hoạt của giọng đã tạo nên sự kinh ngạc cho những đồng nghiệp của Callas. Một trong số những thành viên đội hợp xướng tại đêm biểu diễn đầu tiên của bà ở La Scala với vở I Vespri Siciliani nhớ lại: "Chúa tôi. Nghe cô ấy hát trên sân khấu như là giọng nữ trầm sâu nhất Cloe Elmo. Và trước kết thúc, cô ấy lại thực hiện một note Mi giáng cao. Và nó lại mạnh mẽ gấp đôi so với Toti Dal Monte vậy. Còn với Renata Tebaldi thì "điều phi thường nhất là cô ấy có thể hát soprano coloratura với một giọng lớn. Thật sự điều đó rất đặc biệt. Tuyệt đối phi thường!" [11].

Sự xuống giọng

Vài ca sĩ cho rằng những vai diễn kịch tính quá nặng trong những năm đầu sự nghiệp đã ảnh hưởng xấu đến giọng của Callas [42]. Giulietta Simionato, người bạn thân và bạn diễn của Callas, phát biểu là chính bà đã bảo Callas rằng bà thấy những vai diễn nặng đã dẫn tới cơ hoành không tốt và khó khăn trong việc điều khiển những quãng cao [43].

Louise Caselotti, người làm việc với Callas năm 1946 và 1947 trước khi bà tới Italia, cảm thấy không phải từ những vai diễn nặng, mà chính những vai nhẹ đã làm hỏng giọng Callas [3]. Vài ca sĩ lại nghĩ rằng việc sử dụng giọng ngực quá nặng của callas đã dẫn tới sự mất ổn định với những note cao [42]. Meneghini lại viết rằng sự xuống giọng của Callas lại do ảnh hưởng sớm bất thường của chứng mãn kinh. Soprano Carol Neblett nói: "Một người đàn bà hát với buồng trứng của cô cũng giống như bạn với những hormone của bạn vậy" ref name="mordden" />.