Những biến đối ngữ âm của phương ngữ Thanh Hóa so với phương ngữ Bắc là khá phổ biến. Một người Thanh Hóa có thể nói chị thành chậy ([chệi]) mà với bản thân họ, 2 cách nói này có giá trị ngang nhau trong khi với một người Hà Nội thì hai từ này không phải biến thể của nhau[19].

Phụ âm đầu

Phương ngữ Thanh Hóa gồm 20 phụ âm như phương ngữ Bắc, tuy nhiên một số vùng ven biển có tới 23 phụ âm giống như phương ngữ Trung, hơn phương ngữ Bắc 3 phụ âm uốn lưỡi /ʂ, ʐ, ʈ/ (chữ quốc ngữ ghi bằng s, r, tr).

Phương ngữ này cũng giữ lại một số phụ âm tắc đang trong quá trình xát hóa như k/g (ví dụ: cấy, so với gái trong phương ngữ Bắc Bộ), d/z (đao/dao)…[2]

Nhà ngôn ngữ học Hoàng Thị Châu đã khảo sát về sự phân biệt phụ âm tr/ch ở Thanh Hóa. Kết quả là tại các huyện ven biển: Nga Sơn (ở phía đông bắc) và Quảng Xương, Tĩnh Gia (ở phía đông nam), phần lớn người dân có phân biệt tr/ch. Hiện tượng phân biệt tr/ch cũng diễn ra ở một số xã của huyện Nông Cống và lẻ tẻ ở một số xã của các huyện khác trong tỉnh. Tuy nhiên, phần đông người Thanh Hóa không phân biệt tr/ch. Đặc biệt là một số địa phương phát âm tr thành t (trời trong trẻo thành tời tong tẻo) như các xã Nga Mỹ, Nga Thủy thuộc huyện Nga Sơn, xã Phú Yên thuộc huyện Thọ Xuân[20].

Một số thổ ngữ ở các huyện Thọ Xuân và Triệu Sơn (phía tây và tây nam đồng bằng Thanh Hóa) thậm chí còn phát âm ch thành tr, d thành r. Ví dụ về một đoạn đối thoại giữa các cụ già ở xã Hạnh Phúc, huyện Thọ Xuân[21]:

Một cuộc khảo sát đã cho thấy ở Thanh Hóa, vào đầu thế kỉ 21 một số thổ ngữ còn lưu giữ những biến thể phát âm phụ âm đầu không gặp ở các thổ ngữ hay phương ngữ nào khác ở Việt Nam, đó là các biến thế [ɟ], [k'], [p'], [ɾ] của các phụ âm /c/,/f/, /χ/, /ʐ/, /ʂ/[11].

Tác giả Đỗ Tiến Thắng đã khảo sát tại một thổ ngữ thuộc phương ngữ Thanh Hóa về các phụ âm đầu có liên hệ và có thể là âm gốc của phụ âm "v" trong tiếng Việt phổ thông:[23]

• Các từ vả, véo, vốc (loại từ, ví dụ một vốc), vũng (nước), vanh/vành (ra), víu và một từ gốc Hán là vái được phát âm tương ứng là bả, béo/bẹo/bẻo, bốc, bổng, banh/bành, bíu và bái.
• Các từ vách, vú, vấu (ví dụ: vấu tre), vếu (váo), vân vê, vầy vò được phát âm là mách, mú, mấu, mân (mê), mếu (máo), mằn (mò). Trong đó, có sự liên hệ giữa mằn hay mần với vày hay vầy. Có thể coi /m/ là một trong các dạng quá khứ của /v/, cả hai đều có cấu âm môi, cùng tiêu chí thanh tính. Đây chính là do quá trình xát hóa âm tắc – mũi.
• Các từ vệ (vệ đường), vê (vê thuốc lào), vảy (vảy nước, vảy rau), vạch (tạo thành đường nét), vập (vập đầu) được phát âm thành dệ, dê, dảy (dẳn), dạch, dặp (bổ dặp mặt = ngã dập mặt)... Ngoài ra còn có các cặp như vẻo (đất) – dẻo (đất), vẹo – dẹo, vươn (cổ) – dướn (cổ), vểnh (tai) – dảnh tai… Có thể trong ngôn ngữ toàn dân vẫn tồn tại song song hai biến thể /v/ và /ʐ/ hay /z/ (có tự dạng trong từ điển là "r" – rệ, rê, rẩy, rạch hay "d" - dập) nhưng ở phần lớn phương ngữ Thanh Hóa chỉ có /z/. Trong tiếng Việt, âm quặt lưỡi /ʐ/ (viết là r) là tiền thân của v, còn /z/ (chữ viết là d) chỉ là biến thể của /ʐ/. Ở phương ngữ Thanh Hóa, chỉ một số cặp nêu trên v mới được phát âm thành d, các từ khác như vay không đọc thành day, đây là điểm khác biệt với phương ngữ Nam Bộ Việt Nam.
• Các từ vây, vần (vần nhau), vén (vén áo), vẫy (vẫy đuôi) được phát âm thành quây, quần, quén, quảy..., tức là đã có sự biến đổi từ /k/ (kèm theo âm đệm /-w/, chữ viết là "qu") thành /v/ trong tiếng Việt toàn dân.

Âm đệm

Trong một số trường hợp, âm đệm [w] có xu hướng đồng hóa âm chính [a] theo sau nó[24]. Ví dụ: toàn được đọc là [tʷò:n], quạt được đọc là [kʷọ:t]. Trong phương ngữ Nam cũng có hiện tượng này[24], và tại một số thổ ngữ ở Quảng Bình, Quảng Trị thì âm đệm [w] đồng hóa nguyên âm [â] (mùa xuân thành mùa xun) [25].

Vần

Trong hệ thống vần của phương ngữ Thanh Hóa có một số vần không có trong tiếng Việt phổ thông cũng như không thấy ở các phương ngữ khác như /âj/ [ệi] [26] (ví dụ: /câj6/ hay [chệi] tương ứng với chị trong tiếng phổ thông), /âƯ/ [ẫư] (ví dụ: /cƯ4/ hay [chẫư], tương ứng với chữ), /âw/ [ôu] (ví dụ: /mâw6/ hay [mộu], tương ứng với mụ)[2].

Vần có thể thay đổi toàn bộ hoặc chỉ thay đổi một bộ phận (âm chính, âm cuối) như dưới đây.

Âm chính

Trong phương ngữ Thanh Hóa, các nguyên âm đôi /ie/ [iê], /Ươ/ [ươ], /uô/ [uô] bị triệt tiêu, chính điều này đã làm nảy sinh sự đối lập trường độ giữa các âm /i/ với /i:/, /Ư/ và /Ư:/, /u/ và /u:/[2], ví dụ: mía trong tiếng phổ thông trở thành /mi:3/ [mí:], kéo dài hơn so với mi3 [mí] (trong mí mắt). Sự thay đổi này không phụ thuộc vào phụ âm đầu kết hợp với âm chính tuy nhiên lại phụ thuộc vào sự kết hợp với các thanh điệu: miên được đọc thành mi:n, miến thành mi:3n nhưng miền và miện lại không thay đổi còn cặp miển/miễn dường như mới bắt đầu quá trình triệt tiêu.

Các nguyên âm /e/ [e], /ɔ/ [o:][2] và /ɔ/ [o] được chuyển tương ứng thành các âm chuyển sắc /ie/ [iê] và /wo/ [uô], ví dụ le te trở thành lia tia, to nhỏ trở thành tua nhủa. Quá trình này cũng không phụ thuộc vào phụ âm đầu mà phụ thuộc vào các thanh điệu, ví dụ me được đọc thành /mie/ [miê], mé thành /mie3/ [miế], mẻ/mẽ thành /mie4/ [miể] nhưng mè lại thành /mæ2/ [miè], mẹ lại thành /mæ6/ [miẹ] [27], hoặc bó thành /bwo3/ [buố] nhưng bò lại thành [buò][27].

Giống như các phương ngữ khác của tiếng Việt, những biến thể ngữ âm thường là những âm tố nằm giữa giới hạn của hai âm vị hoặc hai âm vị kề nhau trong hệ thống âm vị tiếng Việt. Ví dụ: i đọc thành êi (chị/chệi, dịch/dệich), u đọc thành ôu (chục/chộuc, bụng/bộung).[28]

Một số biến đổi âm chính có tính đối xứng như [â] - [ă], [â] - [Ư] [2] hay [ô] - [u] nhưng các thay đổi này phụ thuộc vào cả phụ âm đầu, âm cuối và thanh điệu. Ví dụ chân chuyển thành chưn trong khi sân chỉ thay đổi phụ âm đầu (s/x) ở một số thổ ngữ, âm chính không thay đổi, còn đầu lại chuyển thành đàu. Ngược với diễn tiến [â] - [Ư] là diễn tiến [Ư] - [â]: bực chuyển thành bậc, nóng nực chuyển thành nóng nậc, nóng rực chuyển thành nóng rậc, đực chuyển thành đậc.

Âm cuối

Hệ thống âm cuối tương tự như trong vùng phương ngữ Bắc và phương ngữ Nghệ Tĩnh[2]. Riêng trong một số từ còn dấu vết của âm cuối /Ư/ nhưng đã không còn tư cách âm vị học[2].

Tuy nhiên, nhiều thổ ngữ của phương ngữ Thanh Hóa còn giữ lại hệ thống phụ âm cuối với khá nhiều từ cặn có phụ âm cuối -n, trong khi các phương ngữ khác đã biến đổi thành -j[29]:

• cằn cấn/cày cấy, kha cắn/gà gáy, trốc cún/đầu gối…
• cái vắn/cái váy, ban/vai, cuôn mõn/con muỗi, cấy chũn/cái chổi…

Đặc biệt, trong một số trường hợp các âm đầu lưỡi /n/, /t/ khi đi sau các âm chính /i/ và /e/ thì trở thành các âm mặt lưỡi[2], ví dụ xin thành xinh (nhưng tin được giữ nguyên mà không trở thành tinh), nít thành ních, quỵt thành quỵch…

Đôi khi phụ âm cuối được giữ lại trong khi các phương ngữ khác (trừ phương ngữ Nghệ Tĩnh) đã thành âm tiết mở: rẽn/rễ, rui mèn/rui mè, chỉnh khâu/chỉ châu, kiển (kẻn)/ghẻ, quả bính/quả bí, rẽn/rễ, nhẹn/nhẹ…. Riêng các trường hợp chỉnh khâu (phương ngữ Nghệ Tĩnh: chỉn khâu), quả bính (phương ngữ Nghệ Tĩnh: quả bín) là do âm cuối là âm đầu lưỡi trở thành các âm mặt lưỡi.

Thanh điệu

Thanh điệu, đặc biệt là các thanh hỏi, ngã là một trong những dấu hiệu quan trọng để nhận diện phương ngữ Thanh Hóa. Phương ngữ Thanh Hóa gồm có 5 thanh điệu: sắc, nặng, huyền, ngang, hỏi/ngã. Trừ một số ít vùng phân biệt hai thanh hỏi và ngã, đa số người Thanh Hóa nhập hai thanh điệu này làm một, có nơi nói giống thanh ngã, có nơi nói giống thanh hỏi hay có khi lẫn lộn[2].

Việc rút gọn chỉ còn 5 âm điệu cũng là một đặc điểm làm căn cứ để một số nhà ngôn ngữ học xếp phương ngữ Thanh Hóa vào vùng phương ngữ Trung Bộ. Nhưng trong khi phương ngữ Nghệ Tĩnh không phân biệt thanh ngã với thanh nặng thì phương ngữ Thanh Hóa cùng với các phương ngữ Bình Trị Thiên và phương ngữ Nam Bộ lại phát âm không phân biệt thanh hỏi với thanh ngã[30][31]. Ví dụ: với cụm từ chủ nghĩa xã hội thì với người Nghệ Tĩnh, cả ba âm tiết cuối đều mang dấu nặng còn với hầu hết người Thanh Hóa, cả ba âm tiết đầu mang dấu hỏi[31].

Tuy nhiên, trong khi phương ngữ Nghệ Tĩnh và phương ngữ Bình Trị Thiên có điệu tính khá tương đồng và có một hệ thống thanh điệu khác với phương ngữ Bắc do có độ trầm lớn hơn, thì các thanh điệu (ngoài thanh hỏi/ngã) của phương ngữ Thanh Hóa lại giống với phương ngữ Bắc[30][32].

Cũng có một số thổ ngữ nhỏ ở đồng bằng Bắc Bộ hòa nhập thanh hỏi và thanh ngã làm một, như tại xã Đông Quan, huyện Đông Hưng, Thái Bình [30][33].

Ngoài ra, trong một số trường hợp, phương ngữ Thanh Hóa sử dụng các từ cổ với dấu hỏi trong khi phương ngữ Bắc Bộ đã chuyển sang thanh ngã do quá trình hữu thanh hóa xảy ra đồng thời với việc hạ thấp thanh điệu[34]. Ví dụ: khở so với gỡ, khỏ so với gõ, khản so với gãi. Các cặp dấu tương tự là thanh sắc/thanh nặng như khót/gọt, thốt/dột hoặc thanh ngang/thanh huyền như kha/gà, chi/gì… Hiện tượng này không xảy ra một cách tuyệt đối như trong phương ngữ Nghệ Tĩnh, vì vẫn có một số từ đã hoàn thành quá trình chuyển hóa như trong phương ngữ Bắc Bộ, ví dụ: vỗ/vổ (không còn là phổ), gặp (không còn là kháp). Điều này càng khẳng định tính chuyển tiếp của phương ngữ Thanh Hóa.