또래 솔로 가수 중에서도 최상위권인 실력의 소유자이자 싱어송라이터이다. 성량과 음역 같은 하드웨어적인 요소와 섬세한 감정 표현력과 가사 전달력을 전부 동시에 갖추고 있으며, 보컬 자체가 이 두 강점이 절묘하게 어우러져 있는 보컬이다.

음역은 정식 발표곡 기준으로 고음으로는 3옥타브 라(A5)까지 보여주었으며, 3옥타브 파(F5)~솔(G5) 정도의 고음은 그 외 여러 곡에서 보여준다. 그만큼 고음에서 성대 접촉도 뛰어나다. 진성으로 3옥타브 미(E5)와 3옥타브 파(F5)까지 서포팅이 가능할 정도. 다만 활동 초기엔 오히려 중저음에서 보컬이 흔들린다거나 첫 음이 불안하다는 등의 약점을 보이기도 했는데 이는 소송 이후 정규 4집 《Supersonic》으로 활동을 재개할 즈음부터 거의 완벽히 보완되었다. 이는 이미 25세에 비교적 컨디션 관리를 할 수 있는 상황에서 출전했던 나는 가수다 2에서 김연우, 이영현, 서문탁, 시나위 등의 가수들과 경쟁하고 8월부터 11월까지 꾸준히 상위권에 안착하면서 컨디션 관리가 되는 상황에서는 온전한 실력을 발휘할 수 있다는 것을 보여주고, 인정받기도 했다. 2019년 발매된 미니 4집 《STABLE MINDSET》에 수록된 자작곡 〈Rainy Night〉에서는 저음을 잘 소화하는 모습을 보여주기도 했다. 성량도 풍부한 편으로 김범수와 라이브로 목소리를 섞었는데 김범수가 마음껏 질렀음에도 전혀 묻히지 않고 자연스럽게 조화를 이룰 정도. 감정 표현 능력도 뛰어난데, 활동 초중반 〈기다리다〉나 〈오늘 헤어졌어요〉 등의 곡에서 풍부한 감정을 바탕으로 애절한 감성을 표현해낸 것은 물론 데뷔 10년 차에 접어든 이후로는 에픽하이의 〈또 싸워〉나 종현의 〈Love Belt〉와 같은 곡에서 건조하고 무심한 듯한 절제된 감성 표현에도 뛰어난 모습을 보여준다. 음색은 맑고 청아하면서도 단단한 편으로 호불호가 잘 갈리지 않는 편이지만 일부 너무 평범한 것이 아니냐는 이유로 좋아하지 않거나 저평가하는 사람도 간혹 있다.

다만 후두염 병력의 영향인지 그즈음 이후 한동안 목 컨디션의 기복이 심했었다. 그에 따른 라이브 기복도 어느 정도 있는 편이었다. 심지어 2015년에는 다른 라이브는 다 망해도 최상급의 라이브를 보여주던 《유희열의 스케치북》과 본인 단독 콘서트 무대에서마저 아쉬운 무대를 보여줬다. 그리고 2015년 뮤지컬 시기 전후를 기점으로 앓고 있던 비중격 만곡증의 영향인지 목소리에 비음이 많이 섞였다는 평가도 있다. 과연 이것이 나이가 들어서 생기는 자연스러운 현상인지, 목 관리를 잘못해서 일어나는 일시적인 현상인지, 아니면 윤하가 스스로 발성에 변화를 준 것인지 팬들의 추측은 여러 가지가 있었지만 2015년 들어 비중격 만곡증이 심해진 것이 가장 큰 원인으로 보인다. 결국 비중격 만곡증 수술을 결정했다. 또한, 추후 인터뷰에서 직접 밝힌 바에 따르면 2017~18년도 기준 5년 전쯤부터 약 4년간 복용해오던 수면제 및 신경안정제 등을 끊음과 함께 이의 장기복용 영향으로 손상이 간 성대 근육 관련 수술도 받았었다고 한다. 길다면 긴 재활 기간을 지나 정규 5집 《RescuE》 발매 이후 2018년의 무대를 보면 비중격 만곡증 수술 이전보다 호전된 목 컨디션을 보여주고 있으며, 특히 12월에 있었던 V LIVE의 오르골 라이브에서는 노래를 담아내기에 비교적 좋은 환경에서 상당히 나아진 목 컨디션을 보여주었다. 가수 본인도 2019년 활발한 활동을 예고했다는 것은 휴식기와 재활을 거쳐 전반적인 컨디션이 많이 나아졌다는 뜻으로 보인다. 2019년에 발매한 미니 4집 《STABLE MINDSET》을 기점으로 2014년 이전의 한창 좋았을 때의 폼을 되찾은 것으로 보이고 2021년 정규 6집 《END THEORY》 활동 과정에서 보여준 모습을 볼 때, 2012년도 최전성기 폼에 버금간다는 평이다.