Per tutti i vini della regione, cioè anche per i pochi bianchi (il rosé non esiste sotto la denominazione d'origine), sono ammessi ben 13 vitigni, ma gran parte della produzione è costituita prevalentemente e talvolta interamente da Grenache, che occupa circa il 70% della superficie vitata. È a quest'uva che i vini devono la loro leggendaria pienezza, la loro potenza e la loro seducente succosità. Le bottiglie di Grenache in purezza possono essere stupefacenti, ma per la maggior parte, lo Chateauneuf-du-Pape rosso beneficia dell'aggiunta di altre varietà - in particolare Syrah e Mourvedre - che danno ai vini ulteriore spina dorsale, freschezza, presa e complessità.