13 verschiedene Rebsorten sind im Chateauneuf du Pape enthalten. Die Rebsorte Grenache erreicht hier eine starke Ausdruckskraft. Die Weine sind vergleichsweise säurearm und alkoholreich. Farbe und Tanningehalt variieren, je nachdem, wie hoch der Anteil an dunkelfarbigen, tanninreicheren Sorten wie Syrah und Mourvèdre ist und ob das Lesegut entrappt (abgebeert) oder nicht entrappt (mit den Traubenstielen) vergoren wurde. Der Châteauneuf du Pape wird oft für den schwersten Rhône-Wein gehalten, was er aufgrund seines meist hohen Grenache-Anteils aber nicht ist. Diese Rolle kommt eher dem Hermitage mit seinem hohen Anteil an Syrah, fast immer 100%, zu.

Typisch für den Châteauneuf-du-Pape sind Aromen reifer Früchte und Gewürze sowie Röstnoten. Obwohl der Wein aufgrund des eher geringen Tanningehaltes von Grenache oft bereits jung zugänglich ist, ist er lange lagerfähig. Selbst kleine Jahrgänge bauen zehn Jahre lang aus, Spitzenweine reifen sogar über mehrere Jahrzehnte.

Lediglich 7 % der Produktion entfällt auf Weißwein. Er wird stets trocken ausgebaut und ist sehr körperreich bei niedriger Säure. Dennoch sind die besten weißen Châteauneuf-du-Pape komplex strukturiert und lange lagerfähig. Sie entwickeln dann vielschichtige flüchtige Aromen, die u.a. an Blüten und Honig erinnern können.

Das Anbaugebiet der Appellation Châteauneuf-du-Pape umfasst auch noch Teile der benachbarten Gemeinden Bédarrides, Courthezon, Sorgues und Orange. Im Jahre 2002 betrug die Anbaufläche 3178 ha. Es dominieren die großen Güter mit eigener Abfüllung, nur 7 % der Menge wird von der Genossenschaft erzeugt. Die berühmtesten Erzeuger sind die Château Beaucastel, La Nerthe und Rayas, die Domaine du Pégaü sowie der Clos des Papes und Henri Bonneau. Die Flasche mit den aufgeprägten päpstlichen Symbolen, den gekreuzten Schlüsseln Petri und der Tiara, einer Insignie des Papstes, ist den Erzeugerabfüllungen vorbehalten und seit 1938 als Markenzeichen geschützt.

Das Anbaugebiet besteht aus Kiesterrassen, deren Ursprung in der Eiszeit liegt. Typisch sind die mit rotem, sandigen Lehm vermischten großen Kieselsteine, die die tagsüber gespeicherte Wärme nachts an die Reben abgeben. Einige gute Lagen besitzen jedoch Sandböden.

Das Klima ist heiß und trocken. Im Jahresdurchschnitt gibt es 2800 Sonnenscheinstunden, und im Mittel fällt 620 mm Niederschlag. An 130 Tagen im Jahr weht der Mistral, der die Trauben auch nach heftigen Regenschauern schnell wieder trocknet.

Wichtigste Rebsorte ist mit 70% Anteil die Grenache. Daneben sind für den Rotwein noch Syrah, Mourvèdre und Cinsault von Bedeutung. Es sind noch neun weitere Rebsorten zugelassen wie die seltenen Counoise, Brun Argenté (hier auch Vaccarèse genannt), Muscardin und Terret Noir. Im Weißwein dominiert zumeist die weiße Spielart der Grenache, die Grenache Blanc. Außerdem werden Clairette Blanche, Piquepoul Blanc, Bourboulenc, Oeillade Blanche (hier auch Picardan genannt) und die aus dem weißen Hermitage bekannte Roussanne angebaut.

Der zulässige Höchstertrag liegt mit 35 hl/ha äußerst niedrig. Außerdem müssen mindestens 5 % des Lesegutes ausgeschieden werden. Der Châteauneuf-du-Pape muss mindestens 12,5 % natürlichen Alkoholgehalt aufweisen.

Der Rotwein wird üblicherweise traditionell mit mehreren Wochen Standzeit auf der Maische bereitet. Die Kohlensäuremaischung, die leichtere und fruchtbetontere Weine ergibt, ist seit den 1980er Jahren wieder auf dem Rückzug. Der Ausbau der Rotweine erfolgt zumeist in großen Holzfässern. Barriquefässer sind vor allem Spezialcuvées vorbehalten. Diese sind seit geraumer Zeit auf dem Vormarsch und werden in der Regel aus dem Lesegut besonders alter Reben gekeltert.

Der Weinbau im südlichen Rhônetal geht vermutlich auf die Griechen zurück, die im 6. Jahrhundert v. Chr. die Stadt Marseille gründeten. Im Jahr 500 erwähnte Gregor von Tours den Wein von Avignon. Papst Johannes XXII. ließ einen eigenen Weinberg anlegen, so dass die besten Lagen um 1350 bestockt waren. Die Päpste bevorzugten damals allerdings den Wein aus Beaune. Eine Urkunde aus dem Jahre 1519 belegt die Existenz von weißem Châteauneuf-du-Pape. Die Anbaufläche wuchs kontinuierlich und um 1750 umfasste sie 650 ha. Ein Zeichen des damaligen Wohlstandes sind die großen Schlösser wie La Nerthe, die im 18. Jahrhundert erbaut wurden. Im 19. Jahrhundert galt der Châteauneuf-du-Pape bereits als bester Wein der südlichen Rhône. Die Bestrebungen zum Schutz der Herkunftsbezeichnung wurden ab 1905 intensiviert. Im Jahre 1935 wurde die Appellation Châteauneuf-du-Pape als eine der ersten Frankreichs geschützt, wobei ein Gerichtsurteil aus dem Jahre 1929 die Basis der Festlegungen bildete. Die jüngsten großen Jahrgänge sind 1990, 1995, 1998, 1999 und 2001.