Palestrina hinterließ Hunderte von Kompositionen, darunter 104 Messen, 68 Offertorien, mehr als 300 Motetten, mindestens 72 Hymnen, 35 Magnificat, 11 Litaneien, 4 oder 5 Sätze Wehklagen usw., mindestens 140 Madrigale und 9 Orgel ricercari (jedoch hat die neuere Wissenschaft diese Ricercai als zweifelhafte Autorschaft eingestuft; Palestrina schrieb wahrscheinlich keine rein instrumentale Musik). Es gibt zwei umfassende Ausgaben von Palestrinas Werken: eine von Haberl herausgegeben und in 33 Bänden in den Jahren 1862-1894 veröffentlicht, die andere von R. Casimiri und andere und in 34 Bänden veröffentlicht. Seine Missa sine nomine scheint besonders attraktiv für J.S. Bach gewesen zu sein, der sie studierte und aufführte, während er sein eigenes Meisterwerk, die Messe in H-Moll (BWV 232), schrieb. Seine Kompositionen sind als sehr klar charakterisiert, mit Stimmpartien ausgewogen und schön harmonisiert. Zu den Werken, die zu seinen Meisterwerken zählen, gehört die Missa Papae Marcelli (Papst-Marcellus-Messe), die der Legende nach komponiert wurde, um das Konzil von Trient davon zu überzeugen, dass ein drakonisches Verbot der polyphonen Behandlung von Texten in der Kirchenmusik unnötig war. Neuere Forschungen zeigen jedoch, dass diese Messe komponiert wurde, bevor die Kardinäle zusammenkamen, um das Verbot zu diskutieren (möglicherweise bis zu zehn Jahre zuvor). Es ist jedoch wahrscheinlich, dass Palestrina war ganz bewusst die Bedürfnisse der verständlichen Text in Übereinstimmung mit der Lehre von der Gegenreformation, und schrieb seine Werke zu diesem Zweck aus den 1560er Jahren bis zu seinem Lebensende.Der „Palestrina-Stil“ – der glatte Stil der Polyphonie des 16.Jahrhunderts, abgeleitet und kodifiziert von Johann Joseph Fux aus einem sorgfältigen Studium seiner Werke – ist der Stil, der normalerweise als „Renaissance-Polyphonie“ in College-Kontrapunktklassen gelehrt wird, wenn auch in modifizierter Form, da J.J. Fux eine Reihe von Stilfehlern machte, die von späteren Autoren (insbesondere Knud Jeppesen und Morris) korrigiert wurden. Wie von J.J. Fux kodifiziert folgt es den Regeln dessen, was er als „Artenkontrapunkt“ definierte.“ Palestrina etabliert und folgte diesen strengen Richtlinien:
– Der Fluss der Musik ist dynamisch, nicht starr oder statisch.
– Melodie sollte einige Sprünge zwischen den Noten enthalten.
– Wenn ein Sprung auftritt, muss er klein sein und sofort durch entgegengesetzte schrittweise Bewegung entgegengewirkt werden.
– Dissonanzen sind entweder vorbei Note oder aus dem Takt. Wenn es im Takt ist, wird es sofort gelöst.Kein Komponist des 16.Jahrhunderts folgte konsequenter seinen eigenen Regeln und blieb innerhalb der stilistischen Grenzen, die er sich selbst auferlegte, als Palestrina. Auch hat kein Komponist des 16.Jahrhunderts ein solches Gebäude aus Mythos und Legende um sich herum errichten lassen. Ein Großteil der Forschungen über Palestrina wurde im 19.Jahrhundert von Giuseppe Baini durchgeführt, der 1828 eine Monographie veröffentlichte, die Palestrina wieder berühmt machte und die bereits bestehende Legende verstärkte, er sei der „Retter der Kirchenmusik“ während der Reformen des Konzils von Trient. Die Haltung der Heldenverehrung des neunzehnten Jahrhunderts ist in dieser Monographie jedoch vorherrschend, und dies ist dem Komponisten bis heute bis zu einem gewissen Grad geblieben; Hans Pfitzners Oper Palestrina zeigt diese Haltung auf ihrem Höhepunkt. Die Wissenschaft des 20. und 21.Jahrhunderts neigt dazu, die Ansicht beizubehalten, dass Palestrina ein starker und raffinierter Komponist war, der einen Gipfel technischer Perfektion darstellte, betont jedoch, dass es andere Komponisten gab, die zur gleichen Zeit mit ebenso individuellen Stimmen und leicht unterschiedlichen Stilen arbeiteten, sogar innerhalb der Grenzen der glatten Polyphonie, wie Lassus und Victoria.
Palestrina war zu seiner Zeit immens berühmt, und sein Ruf, wenn überhaupt, nahm nach seinem Tod zu. Die Musik der römischen Schule wurde weiterhin in seinem Stil (bekannt als „Prima pratica“ im 17.Jahrhundert) von Schülern wie Giovanni Maria Nanino, Ruggiero Giovanelli, Arcangelo Crivelli, Teofilo Gargari, Francesco Soriano und Gregorio Allegri geschrieben. Es wird auch angenommen, dass Salvatore Sacco ein Schüler von Palestrina gewesen sein könnte. Palestrinas Musik wird weiterhin aufgeführt und aufgenommen und bietet Modelle für das Studium des Kontrapunkts.