Lovato afirmou que gosta de heavy metal, especialmente black metal e metalcore, citando a banda de black metal sinfônico Dimmu Borgir como "um de seus artistas favoritos ao vivo". Lovato falou que a música era sua primeira paixão, "por que veio muito naturalmente", completando que "interpretar tem sido como um hobby".
Em seu primeiro álbum, Don't Forget, seu som pop rock e power pop foi comparado ao da banda Jonas Brothers, principalmente devido ao fato dos membros terem tido participação na composição e produção do disco.Demi descreveu Kelly Clarkson como sua "inspiração desde que tinha dez anos de idade" e disse que o álbum seria como "uma mistura do som de Clarkson e Paramore". Citou também Christina Aguilera, Aretha Franklin e Gladys Knight como influências. Sobre Aretha, Lovato comentou que, apesar de sua música "não necessariamente soar como a dela, há algumas canções em que eu realmente coloco bastante coração e alma, e ela me inspirou de verdade".
Seu sucessor, Here We Go Again, também trouxe um som geralmente pop rock, mas com maior influência soul. Lovato trabalhou com compositores como John Mayer, que citou como uma influência para o disco, Toby Gad e Jon McLaughlin. De acordo com Jeff Miers, do The Buffalo News, o álbum também tem características de teen-pop. O terceiro álbum de estúdio da cantora, Unbroken, foi o que marcou uma maior mudança em seu som, que passou a ser mais pop e R&B, sendo influenciado por cantoras como Rihanna e Keri Hilson.Lovato trabalhou com os produtores Timbaland, Ryan Tedder, Rock Mafia, Toby Gad, entre outros.
Demi Lovato tem uma voz classificada como soprano lírico-full, e possui um vocal acima da média, 4 oitavas e 1 semitom, incluindo o whistle register. Após o lançamento de seu álbum de estreia, lançado quando Lovato tinha dezesseis anos, o crítico Nick Levine comentou no Digital Spy que "de fato, suas performances vocais são consistentemente impressionantes". Em sua crítica para Here We Go Again, liberado no ano seguinte, para a Billboard, Kerri Mason notou que "enquanto outros artistas da Disney precisam de muito auto-tune e camadas de efeitos, Demi Lovato soa melhor com pouca produção" e a chamou de "um talento natural". No PopMatters, Cody Miller afirmou que Lovato possui "um maior alcance vocal do que suas contemporâneas e um melhor senso de carisma durante uma gravação". De forma semelhante, Jeff Miers, redator do The Buffalo News, disse em sua resenha de Here We Go Again que Lovato, "ao contrário de tantas outros companheiros da Disney, pode realmente cantar" e destacou o fato da voz de Demi não ser editada excessivamente em estúdio.
Voltou a lançar um álbum apenas em 2011, aos dezenove anos, e os críticos notaram um amadurecimento em sua voz, que foi descrita como "forte e versátil" por Jon Caramanica, crítico do New York Times. Apesar disso, Stephen Thomas Erlewine, do Allmusic, apontou que Lovato precisa "forçar" sua voz para cantar em algumas partes das baladas de Unbroken.
