Từ khi khởi nghiệp bằng album đầu tay vào năm 2001, phong cách âm nhạc của Mỹ Tâm thường được ghi nhận bởi những ảnh hưởng mạnh mẽ của dòng nhạc trẻ.[241][242][243] Dù vậy, cô cũng từng tham gia thể nghiệm với nhiều thể loại âm nhạc khác nhau. Nếu như ở Hoàng hôn thức giấc (2005), các sáng tác mang yếu tố của dòng nhạc Trung Đông nổi bật hơn cả,[63][240] thì âm điệu R&B, dance và hip-hop lại được thể hiện rõ rệt với Vút bay (2006) và Nhịp đập (2008).[71][241] Ngoài ra, cô cũng từng thử sức với dòng nhạc trữ tình,[93][243] nhạc Latin,[244] ballad[241] hay pop soul.[135] Phong cách trình diễn của cô được so sánh với Britney Spears và Jennifer Lopez.[245] Về ca từ, các nhạc phẩm mà Mỹ Tâm thể hiện thường mang các chủ đề liên quan đến tình cảm lứa đôi, tình bạn và cuộc sống đời thường.[28][141][246] Trang Vietnamplus khẳng định Mỹ Tâm "đã mở rộng thế giới pop 'mộc mạc' của mình bằng sự kết hợp và pha trộn nhiều thể loại âm nhạc trẻ trung, thời thượng, hấp dẫn giới trẻ".[241]

Mỹ Tâm sở hữu chất giọng nữ trung (mezzo sorpano),[10][242] với âm vực rộng 3 quãng 8,[247] trải dài từ C#3 đến C6,[248] Nhà báo Tùng Lâm đánh giá "Giọng hát điêu luyện, mạnh mẽ và đầy xúc cảm của Mỹ Tâm không chỉ giúp cô có chỗ đứng vững chắc trong làng nhạc Việt, mà còn là cơ sở để người hâm mộ đặt trọn vẹn niềm tin khi cô đại diện cho Việt Nam 'đem chuông đi đánh xứ người'."[249]

Mỹ Tâm còn được công chúng nhìn nhận ở cương vị của một nhạc sĩ.[1][74] Cô bắt đầu viết nhạc từ khi còn ngồi ở ghế nhà trường tại Đà Nẵng và tiếp tục theo đuổi lối sáng tác chuyên nghiệp từ khi theo học thanh nhạc.[74] Trong khi các nhạc phẩm trước đây của cô như "Tình mơ", "Mãi yêu" hoặc các bài hát nhạc nước ngoài phổ lời Việt ít nhận được sự chú ý của khán giả, thì sự nghiệp sáng tác của cô chỉ bắt đầu nở rộ kể từ khi Hoàng hôn thức giấc (2005) được ra mắt.[74] Trong bài nhận xét album Tâm (2013) trên tờ Tuổi Trẻ, nhà báo Quỳnh Nguyễn từng nhận định "Có lẽ Tâm là ngôi sao nhạc pop duy nhất của Việt Nam thể hiện thành công ca khúc của nhiều nhạc sĩ khác nhau nhưng cũng thành công với những sáng tác của chính mình."[1] Vân An của VnExpress cho rằng "Mỹ Tâm có tài dẫn chuyện vừa chân thật, 'tưng tửng' nhưng lại cuốn hút đến kỳ lạ" khi "dẫn dắt khán giả hòa nhịp cùng dòng cảm xúc của mình để họ cảm được bài hát ấy một cách nhẹ nhàng và tự nhiên nhất".[246]