Bài thơ Thơ tình cuối mùa thu của Xuân Quỳnh là một bản tình ca êm ái và du dương, thể hiện tình yêu chín muồi và thủy chung của người phụ nữ đa cảm, đa tình. Bài thơ có những đặc sắc về nghệ thuật như sau:

Bài thơ viết theo thể thơ năm chữ với cách ngắt nhịp linh hoạt, phù hợp trong việc diễn tả các cung bậc, sắc thái cảm xúc. Ngôn ngữ trong sáng, mộc mạc, dung dị, tinh tế.
Hình ảnh thơ rất gần gũi với người đọc, là những hình ảnh quen thuộc của mùa thu: mây trắng, lá vàng, hoa cúc, heo may… Nhưng qua góc nhìn của tác giả, những hình ảnh này đều mang ý nghĩa biểu tượng cho tình yêu. Mây trắng là sự nhẹ nhàng, thanh thoát; lá vàng là sự chia ly, lãng mạn; hoa cúc là sự chung thủy, kiên cường; heo may là sự thay đổi, biến chuyển…
Bài thơ sử dụng nhiều phép tu từ như so sánh, ẩn dụ, lặp đi lặp lại, đối xứng… để làm giàu nội dung và hình ảnh thơ. Ví dụ: "Tình ta như hàng cây/ Đã qua mùa gió bão" so sánh tình yêu với hàng cây vững chãi, bền bỉ; "Mùa thu ra biển cả/ Theo dòng nước mênh mông" ẩn dụ cho sự phiêu bạt, lang thang của mùa thu; "Chỉ còn anh và em/ Cùng tình yêu ở lại" lặp đi lặp lại để nhấn mạnh sự gắn bó vĩnh cửu của tình yêu; "Lá vàng thưa thớt quá/ Phải chăng lá về rừng/ Mùa thu đi cùng lá" đối xứng về cấu trúc và nghĩa để tạo sự liên kết, đồng điệu.
Bài thơ cũng có sự thay đổi về tâm trạng và thái độ của tác giả. Đoạn đầu, tác giả có vẻ buồn bã, luyến tiếc khi nhìn thấy mùa thu đi qua, như một sự chia tay. Đoạn giữa, tác giả tự hào, hạnh phúc khi nghĩ về tình yêu của mình, như một sự khẳng định. Đoạn cuối, tác giả bình thản, chấp nhận khi nhìn thấy những người yêu mới, như một sự chia sẻ.