В середине ХI в. произошли существенные перемены в певческой нотации. В немецких источниках исчезли буквенные обозначения ритма и просодии. В рукописях южнофранцузского ареала усилилась тенденция к точной фиксации интервалов мелодии – формируется так называемая диастематическая нотация. Аналогичные тенденции заметны в лотарингском письме и в итальянских разновидностях невменной нотации. Невмы всё чаще располагались на линиях, ранее встречавшихся лишь изредка в музыкально-теоретических трактатах. Во Франции благодаря реформам бенедиктинца Вильгельма Дижонского (около 962–1031 гг.) появились рукописи с двойной нотацией – французские невмы дополнены буквенными обозначениями ступеней звукоряда. Между 1025 и 1033 гг. монах ордена камальдулов Гвидо Аретинский (990 гг. – после 1033 г.) сформулировал основные принципы 4-линейной нотации, остававшиеся неизменными на протяжении столетий. Значительные изменения в грегорианском пении произошли в XII в. Продолжалось сочинение новых песнопений на библейские и литургические тексты в традиционных жанрах; из употребления постепенно вышли тропы; поэзия секвенций ритмизировалась. В богослужении каноников августинского конвента Сен-Виктор в Париже возник новый тип секвенции, основанный на регулярной ритмике и употреблении рифм. Сочинялись песнопения в свободном стиле, лишь отчасти использовавшие мелодические модели древнего грегорианского пения (наиболее характерный пример – творчество Хильдегарды Бингенской). В обиход вошли рифмованные литургические и паралитургические песни. Основным видом нотного письма в романских странах и на Британских островах стала 4-линейная квадратная нотация, в Германии и в Восточной Европе – разновидности готической нотации. Интервальная структура грегорианского пения в линейных рукописях из германоязычных областей отличалась от интервалики французских и итальянских кодексов: в немецких певческих книгах XII–XV вв. преобладали пентатонные версии мелодий, которые в современной науке определяются как «германский певческий диалект». Изменилась ритмика грегорианского пения: вместо ритмизированного распева ранних рукописей распространилось пение равными длительностями с удлинением начального тона мелодии или строфы, главного опорного тона мелодии и заключительной мелодической формулы. Вместе с реформированием старых монашеских орденов (реформы, связанные с аббатствами Клюни во Франции и Хирзау в Германии) и появлением новых монашеских сообществ возникли орденские версии грегорианского пения. Наиболее характерна из них версия, введённая в ордене цистерианцев в результате реформ Бернарда Клервоского и послужившая образцом для грегорианского пения доминиканцев и некоторых других орденов. В XIV–XV вв. в Италии и Испании развивался новый тип грегорианского пения – cantus fractus (прерывистое, или ломаное, пение), для которого была характерна регулярная (так называемая мензуральная) ритмика, свойственная также многоголосию того времени. В эпоху высокого и позднего Средневековья грегорианское пение стало мелодической основой для композиторских опытов в сфере церковного многоголосия. Однако, несмотря на бурное развитие многоголосного пения, оно практиковалось лишь в сравнительно немногих музыкально-литургических центрах.