Toutes les versions de la NeoGeo intègrent un synthétiseur audio Yamaha YM2610 (OPNB).
Il possède 4 canaux FM, 3 canaux SSG (Simple Sound Generator), 1 canal de bruit et 6 canaux ADPCM (+1 spécial).

Les canaux FM utilisent tous des algorithmes séléctionnables prédéfinis, comme dans pratiquement tous les synthés FM Yamaha.
Les canaux SSG génèrent un signal carré et sont tous liés au même générateur d'enveloppe de volume.
Les canaux ADPCM A lisent des samples ADPCM 4 bits à une fréquence fixe de 18.5kHz par tranches de 256 octets (à vérifier).
Le canal ADPCM B lit le même type de sample mais avec une fréquence paramètrable.

La NeoGeo CD est en plus capable de lire des pistes CDDA (CD Digital Audio) standart et de les mixer au son généré par le YM2610.
La plupart des musiques sur NeoGeo CD ont été transformées en pistes CDDA, le YM2610 a surtout été conservé pour les bruitages.

Un processeur Z80 est dédié à la gestion du YM2610.
Il s'occupe uniquement de le piloter en le configurant et en lui faisant générer des sons.
Le 68K peut communiquer avec dans les deux sens, afin de démarrer ou d'arrêter la lecture de musiques, d'effets sonores...

Sur Neogeo CD, le Z80 est parfois utilisé par les jeux pour retourner un numéro de piste CDDA (l'utilité de cette méthode est encore à découvrir).
Aux dernières nouvelles, le Z80 ne contrôle pas lui-même la lecture CDDA.