Trong một cuộc phỏng vấn với Rolling Stone vào tháng 5 năm 2009, Shinoda cho biết ban nhạc đang trong quá trình sáng tác và thu âm nhạc phẩm cho album.[8] Ban đầu album được lên kế hoạch phát hành vào đầu năm 2010, nhưng Shinoda cảm thấy lo lắng về "chất lượng của các giai điệu" và nói, "nếu chúng tôi cần phải lùi lại một bước và đảm bảo mọi thứ đều đạt chất lượng hàng đầu theo tiêu chuẩn của chúng tôi, thì chúng tôi sẽ làm vậy". Shinoda cũng nói rằng, so với Minutes to Midnight, album mới sẽ có một "sợi dây đồng nhất" lớn hơn và sẽ mang tính thử nghiệm hơn và "hy vọng sẽ mang tính tân thời hơn".[9]

Christopher Weingarten từ The Village Voice đã so sánh album này với album phòng thu thứ ba của Radiohead, là OK Computer, mô tả âm nhạc của đĩa nhạc là "những đoạn hook tự do, [...], những tiếng đàn piano âm, khám phá mối quan hệ của con người với công nghệ, [và] hoàn toàn loại bỏ âm hưởng metal”.[10] Jordy Kasko của Review Rinse Repeat đã so sánh phong cách của A Thousand Suns với phong cách của album phòng thu thứ tám The Dark Side of the Moon của Pink Floyd và album phòng thu thứ tư của Radiohead là Kid A.[11]

James Montgomery của MTV đã so sánh album với Kid A vì không có nhiều tiếng guitar, phong cách hoàn toàn khác biệt với những sản phẩm trước của ban nhạc, cũng như thông điệp của album. Montgomery đã nói, "Những vấn đề này, những tội ác này hay những ác quỷ này đang ám ảnh chúng ta năm 2010 đều không có gì mới mẻ. Thật ra là ngược lại. Chúng ta chỉ chọn cách phớt lờ những cảnh báo này. Và giờ thì có thể đã quá trễ."[12] Dựa theo tay xoay bàn đĩa Joe Hahn, tiêu đề của album phản ánh đến một dòng trong kinh thánh tiếng Phạn đạo Hindu Bhagavad Gita "Nếu ánh hào quang của một nghìn mặt trời cùng lúc bùng nổ trên bầu trời, đó sẽ là sự huy hoàng của đấng quyền năng," nó trở nên nổi tiếng khi J. Robert Oppenheimer dùng nó để mô tả bom nguyên tử.[13] Tựa đề cũng xuất hiện trong đĩa đơn chính của album là "The Catalyst", trong câu hát "God save us everyone, will we burn inside the fires of a thousand suns?" ("Xin Chúa hãy cứu tất cả chúng con, liệu chúng con sẽ thiêu cháy bên trong ngọn lửa của ngàn mặt trời").[14] Ban nhạc nói rằng lời bình luận của Oppenheimer về bom nguyên tử đã ảnh hưởng đến chủ đề tận thế của album.

Ban nhạc đã nói rằng ca khúc thứ mười của album, "Wretches and Kings", nhằm bày tỏ sự tôn trọng đối với nhóm nhạc hip-hop Public Enemy.[15] Nói với NME về việc bài hát liên quan đến Public Enemy, Shinoda nói, "Có một sự tôn trọng đối với Chuck D trong bài đó. Đây có lẽ là bài hát hip-hop nhất trong đĩa nhạc và là một trong những bài hát công kích nhất... Public Enemy đã rất đa diện với các đĩa nhạc của họ bởi vì mặc dù họ có vẻ mang tính chính trị, nhưng còn rất nhiều điều khác ẩn sau nó. Nó khiến tôi nghĩ rằng tôi muốn đĩa nhạc của chúng tôi có tính đa diện như thế nào mà không cần bắt chước họ, và cho thấy chúng tôi đang ở mức độ sáng tạo thế nào." Ian Winwood của Kerrang! đề cập rằng "Wretches and Kings" có liên quan đến bài hát "Fight the Power" của Public Enemy và so sánh nội dung của album với album phòng thu thứ ba của Public Enemy, là Fear of a Black Planet.[16] Chuck D sau đó đã đóng góp giọng hát trong bản phối lại của HavocNdeeD.[17][18] Ca khúc thứ năm "When They Come for Me" gợi nhắc đến The Blueprint 2: The Gift & The Curse, album phòng thu thứ bảy của nghệ sĩ hip hop Jay-Z, người mà ban nhạc đã hợp tác trong đĩa EP Collision Course năm 2004.[19] Album chứa đựng các bài phát biểu đáng chú ý của các chính khách Hoa Kỳ,[12] bao gồm Martin Luther King Jr., J. Robert Oppenheimer, và Mario Savio.

Chester Bennington đã nói trong một cuộc phỏng vấn với MTV News, khi đề cập đến phong cách mới của Linkin Park là ít kỹ nghệ hơn và thực dụng hơn:

"Khi tạo ra thứ âm nhạc giống như Linkin Park hồi xưa, chẳng hạn như phối hip-hop với một điệp khúc rock, [chúng tôi] cảm thấy rằng, nếu chúng tôi muốn làm như vậy, thì chúng tôi cần thực sự làm theo cách cảm thấy tự nhiên và nguyên bản, và cảm thấy như đó là điều mà chúng tôi chưa từng làm trong quá khứ ... Mặc dù có các bài hát hip-hop trong album như — 'Wretches and Kings', 'When They Come for Me' — chúng không giống bất cứ thứ gì mà ban nhạc đã thử trước đây: gầm gừ, thô thiển, tối tăm và... thực dụng một cách kỳ lạ." [20]

Các nhà phê bình và phóng viên đã gắn nhãn nhạc phẩm của album với một số thể loại khác nhau, bao gồm trip hop, Electronic rock,[21][22] ambient, alternative rock,[23] industrial rock,[24] rock thử nghiệm,[10][25] rap rock,[26] và progressive rock [27]. So với đĩa nhạc trước đó của họ, Minutes to Midnight (2007), Shinoda đã đóng góp nhiều đoạn ca hát hơn, trong khi những đoạn guitar riff của Brad Delson được đưa vào âm nền sâu hơn, nó được Gary Graff từ Billboard mô tả là "tạm thời bị phớt lờ (gần như bị bỏ quên)". Shinoda rap trong các ca khúc "When They Come for Me", "Wretches and Kings" và đĩa đơn thứ hai của album là "Waiting for the End". Derek Oswald của AltWire.net đã ghi nhận những âm hưởng giống như reggae đối với những khổ của Shinoda trong "Waiting for the End".[28] Ông hát các khổ trong "Burning in the Skies", "Robot Boy", "Blackout", "Iridescent" và "The Catalyst". Bennington và Shinoda hát cùng nhau trong "The Catalyst", "Jornada del Muerto" và "Robot Boy", trong khi "Iridescent" có sự tham gia của tất cả các thành viên trong ban nhạc hát cùng nhau.[29]