メロディー（音階）と歌詞を入力するだけで、人間の声を元にした歌声を合成することができる。
2011年10月現在、製品は基本ソフトに基づくとVOCALOID（パッケージ製品として2004年にリリース）、VOCALOID2（パッケージ製品として2007年にリリース）、VOCALOID3（パッケージ製品として2011年にリリース）の３種が発売されている。
VOCALOIDは実際に収録された音声に基づいたデータベースとともに用いられるが、それらはVOCALOID及びVOCALOID2においては基本ソフトとバンドルされる形で、VOCALOID3においてはデータベース単体（但し、主として音声データの試用に使えるTiny Editorが付属）で販売されている。VOCALOIDのデータベースについては、国内ではヤマハからライセンスを受けたクリプトン・フューチャー・メディア、株式会社インターネット、AH-Software、ビープラッツ、キューンレコード、1st PLACE株式会社の6社がパッケージ販売を行っている。海外ではZERO-G（英国）、PowerFX（スウェーデン）、SBS Artech（韓国）、Voctro Labs（スペイン）の4社が同様にパッケージ販売を行っている。
VOCALOID Editor for Cubase
「VOCALOID Editor for Cubase」はCubaseユーザ向けにヤマハが開発したプラグイン形式のソフトウェアである。
以下の特徴がある
Cubaseのトラック上でパート（ブロック）単位での編集作業が可能
VOCALOIDの歌声編集とCubaseでの伴奏制作を同時に作業可能
無制限の「やり直し（Redo） 」「元に戻す（Undo）」が可能
高品質のVOCALOID3用歌声ライブラリを使用可能
表現力に優れたVOCALOID3エンジンでパラメータがより効果的に
44.1kHz、48kHz、96kHzの音質（サンプリングレート）に対応
Cubase上で16トラックのボーカロイドトラックを使用可能
日本語、英語、韓国語など多言語の歌声ライブラリに対応
VOCALOID2の数多くの歌声ライブラリを使用可能
VSQXの読み込みに対応
VOCALOID Job Pluginに対応予定
VOCALOIDの仕組み
ヤマハの音声合成エンジン（VOCALOID／VOCALOID2／VOCALOID3）では、歌声の合成に「周波数ドメイン歌唱アーティキュレーション接続法」という技術が用いられている。
この技術を大雑把に説明すると、歌手の歌声からビブラートや音の断片といった声の表情となるデータ（上記2.）を集めて「歌唱アーティキュレーション」を生成し、周波数領域に変換した上でデータベース化し、歌詞や音程のデータの入力に合わせて接続して歌声として出力するものである。
VOCALOID製品の構成
VOCALOID製品は以下の要素で構成されている。
スコアエディタ（VOCALOID Editor／VOCALOID2 Editor／VOCALOID3 Editor）･･･楽譜情報入力のインタフェース。ヤマハが提供。
楽譜情報（音符、歌詞、音楽的表情（ビブラートなど））の取り込みと加工。
歌声ライブラリ･･･実際の歌手の歌唱から音源として抽出した以下の2つのデータベース。パッケージ製品として販売する各社で用意。
発音データベース･･･実際の歌手の歌唱から音源として抽出したデータ。
表情データベース･･･同様にこちらはビブラートなどの音楽的表情のデータ。
音声合成エンジン（VOCALOID／VOCALOID2／VOCALOID3）･･･VOCALOIDの心臓部とも言える部分。ヤマハが提供。
1.と2.の入力情報を合成して歌声として出力する。
ヤマハよりライセンスを受けた各社は、実際の歌手（例として初音ミクの場合は藤田咲）の歌唱を基に上記2.の歌声ライブラリを作成し、ヤマハの提供する1.と3.と合わせてパッケージ製品として販売している。もちろん歌声ライブラリは音源だけ用意すればいいという訳ではなく、自然な歌声となるように様々なチューニングが施されている。このため、同じVOCALOID、VOCALOID2を使用する製品でも各社ごとに特徴や癖が生じることとなりそれが製品ごとの個性となって表われている。
互換性についてはVOCALOIDとVOCALOID2との間に互換性はないが、VOCALOID3はVOCALOID2の上位互換となっており、VOCALOID3においてはインポート機能によりVOCALOID2のデータベースを使用することが可能である。
派生技術
VOCALOID-flex
従来のVOCALOIDでは歌唱に比べて苦手であった「喋り」を実現するため、音韻や韻律の細かな編集を可能にした歌声および発話の合成エンジンソフトウェア。音源には、VOCALOID用の既存の歌声ライブラリが利用可能。
消費者向けのサービスとしてインターネット社のサービス「V-Talk」があり、ガチャッポイドの声でしゃべり声を合成することができる（ガチャッポイド購入者は登録日から6ヶ月間無料で使用可能）。また、アプリ開発者に対し、2010年10月から2ヶ月弱、ヤマハが無料で「NetVOCALOID-flex API」を提供しており、VY1の声でしゃべるウェブアプリを一般人が作成することが可能。
NetVOCALOID
サーバ上にVOCALOIDを配置し、歌声合成機能をネットワーク経由でユーザに提供するSaaS型のサービス。
現在、提供または提供を予定されている主なサービスには以下が挙げられる。
携帯電話向けサービス
株式会社インターネット「ケータイがくっぽいど」（2009年4月7日携帯サイトオープン）
クリプトン・フューチャー・メディア「ミクと歌おう♪」（2009年4月7日携帯サイトオープン）
KDDIの携帯ブランド「iida」の企画「iida calling 2~4」（2009年～）
コナミのPSP用ゲームソフト「メタルギアソリッド ピースウォーカー」（2010年発売）
VocaListener（通称ぼかりす）
産業技術総合研究所が開発している入力された歌声を元に自動的にVOCALOIDのパラメータ設定を行い歌声を出力する技術。
ヤマハと産業技術総合研究所が共同で開発中の簡易版VocaListenerの機能をネットワーク経由で提供するサービス。
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