W przeciwieństwie do soboru nicejskiego, którego akta zaginęły, historycy dysponują niemal pełną dokumentacją obrad z Chalcedonu. Nie zachował się spis uczestników obrad i prawdopodobnie jeszcze kilka innych dokumentów o małej wadze. Współcześni uczeni analizują przede wszystkim protokół obrad, który przetrwał w całości. Zachowały się najważniejsze dokumenty końcowe – definicje doktrynalne oraz zbiór trzydziestu kanonów dyscyplinarnych. Znane są teksty większości wyroków sądowych soboru, dotyczących usuwania jednych a przywracania innych biskupów na ich stolice. W tradycji katolickiej do dokumentów soborowych zalicza się również list biskupa Rzymu Leona I do biskupa Konstantynopola Flawiana, zwany Tomem. List ten zachował się w całości.

Informacje, związane ze zgromadzeniem w Chalcedonie, niekiedy bardzo drobne, zachowały się w wielu listach, które wymieniali między sobą biskupi oraz listach Leona I do cesarzy i cesarzowej, a także licznych pismach cesarskich. Teksty polemiczne, powstałe już po soborze, przyczyniły się do powstania późniejszych legend związanych z obradami w Chalcedonie – czarnej legendy narodzonej w Egipcie, Palestynie i Syrii oraz białej legendy, wywodzącej się z Bizancjum i Rzymu.