Изучал древнегреческий язык, античную философию и литературу у Пьеро Веттори. В 1551 начал изучать теорию древнегреческой музыки по оригинальным трактатам. Переехав в Рим (в 1559), в 1561-74 работал секретарём кардинала Джованни Риччи да Монтепульчано, с 1574 в той же должности служил у Джованни Франческо Ридольфи.
Занимался кропотливым изучением сложнейшего отдела древнегреческой теории - учения о ладе (тоне). В трактате «О ладах» изложил своё понимание этого учения, а также представил очерк истории лада от Аристоксена до Глареана. В четвёртой книге обнародовал своё представление о роли музыки и слова в древнегреческом театре, согласно которому древние трагедии и комедии полностью распевались хором и солистами в сопровождении авлоса.
В письмах и поздних трактатах пришёл к выводу, что многоголосные лады современной музки не в состоянии выразить аффект, присущий монодическим ладам греческой музыки. В многоголосии, по его убеждению, различные аффекты смешиваются, противореча друг другу и смущая душу слушателя. Аналогично смешиваются в многоголосии и противоположные ритмы. Радикальностью отличалась оценка Меи контрапункта как изобретения, пригодного лишь для демонстрации профессионального мастерства композиторов. Для всего другого (особенно же для экспрессии, заложенной в поэтическом стихе) контрапункт бесполезен.
Труды и письма Джироламо Меи оказали решающее влияние на взгляды итальянских музыкантов позднего Ренессанса и раннего барокко, послужили теоретической и эстетической базой для создания новой «монодии» (т.е. мелодии гомофонного склада) и новой «музыкальной драмы» (т.е. оперы).