На миниатюрах в средневековых певческих рукописях часто изображался Григорий I Двоеслов, диктующий писцу или записывающий сам мелодии грегорианского пения, с голубем (символом Святого Духа) на плече; его имя должно было укрепить авторитет нового певческого стиля. Упоминание «музыкальной науки» свидетельствует о том, что уже в это время грегорианское пение (в отличие от других певческих традиций Запада) стало объектом музыкально-теоретической рефлексии, а в процессе его изучения и преподавания развивалась европейская теория музыки. На протяжении IX в. в певческий обиход начала входить музыкальная нотация. В теоретических трактатах использовались интервальные нотации (известное ещё со времён Античности буквенное нотное письмо), а также так называемая дасийная нотация со специальными знаками для ступеней звукоряда. В певческих рукописях ставились так называемые невмы – знаки, указывающие на общее направление движения мелодии, определяющие артикуляцию текста, но не содержащие данных об интервалах напева. Место зарождения невм и обстоятельства их возникновения неизвестны. Их прообразом послужили знаки латинской просодии, в позднеантичные времена использовавшиеся в грамматике и риторике. СXI в., со времени изобретения нотных линеек и ключей, грегорианское пение нотируется обыкновенно так называемыми хоральными нотами. Появление полностью нотированных Градуалов и Антифонариев, переписанных с помощью нескольких региональных видов невменного письма, относится а X в. Наиболее развитые системы невменной нотации были характерны для области распространения лотарингского письма и для Юго-Западной Германии (корпус певческих книг из монастырей Санкт-Галлен и Эйнзидельн в современной Швейцарии, Санкт-Эммерам в Регенсбурге). Здесь невмы снабжались дополнительными обозначениями, детально определявшими характер произнесения литургического текста, а также ритмическое удлинение определённых слогов. В рукописях из Южной Франции (аквитанские невмы) наметилась тенденция к более точному воспроизведению интервального строения мелодий. Несмотря на введение нотации, основным средством распространения грегорианского пения оставалась устная традиция (рукописные книги использовались, прежде всего, для контроля за исполнением при обучении пению). Одним из основных вопросов древнейшей истории грегорианского пения является соотношение нового, франкского, стиля с римским певческим преданием. Источники, созданные в Риме, известны лишь с конца XI в. и сохранили мелодии, существенно отличающиеся от григорианики. Вместе с тем в ряде случаев исследователи предполагают существование общих архетипов для мелодий франкских и римских распевов; некоторые исследователи говорят о двух диалектах грегорианского пения – римском и франкском. Мелодическое содержание грегорианского пения было обусловлено не только певческим стилем, который пришёл из Рима, но и традициями, уже существовавшими на территории Франкского государства до Каролингов. В оформлении григорианского распева заметна активная редакционно-композиторская деятельность франкских певчих и музыкальных теоретиков. Как для каролингской эпохи, так и для X и XI вв. характерно существенное расширение певческого репертуара, выразившееся в сочинении в традиционных жанрах римского обряда и в создании новых литургических жанров.