Quá trình thu âm cho album bắt đầu vào năm 2008, chưa đầy một năm sau khi phát hành Minutes to Midnight (2007).[1] Cũng như album Minutes to Midnight, Shinoda và Rick Rubin đã sản xuất album.[2] Các buổi thu âm chính cho A Thousand Suns đã diễn ra tại NRG Recording Studios ở North Hollywood, Los Angeles, California.[3] Vào tháng 11 năm 2008, ca sĩ chính Chester Bennington cho biết đĩa nhạc mới là một album chủ đề; ông nói về thể loại này "thể loại này [album chủ đề] đối với tôi có vẻ khó nghe, vì vậy, tôi cảm thấy mức độ tự tin về nó đã giảm, nhưng khi nó được trình bày bởi một người bạn này của chúng tôi, thì chúng tôi lại thích ý tưởng này. Đó là một ý tưởng đầy cảm hứng, và chúng tôi có thể liên tưởng đến rất nhiều điều để sáng tác cho nó."

Vào tháng 5 năm 2009, Mike Shinoda đã tiết lộ thông tin về album trong một câu chuyện trên tạp chí Billboard, nói rằng: “Tôi cảm thấy như chúng tôi đã sáng tác rất nhiều. Tôi muốn nói rằng chúng tôi đã hoàn thành khoảng một nửa đĩa nhạc, mặc dù tôi không nên nói nửa chừng vì ai mà biết được mẻ bài hát tiếp theo sẽ mất bao lâu. Nhưng rốt cuộc tất cả các nhạc phẩm cứ như tự hoàn thiện mình vậy, và mỗi tuần chúng tôi gặp nhau và đánh giá tình hình, rồi những ngày còn lại trong tuần, chúng tôi chỉ cần làm ra bất cứ thứ gì chúng tôi thấy thú vị." [4] Ông cũng giải thích về thử nghiệm mà ban nhạc sẽ thực hiện, nói rằng, "Nó sẽ không phải là Hybrid Theory. Nó cũng sẽ không phải là Minutes to Midnight. Và nếu chúng tôi làm đúng, nó sẽ có một âm hưởng tân thời, và nó sẽ tự khẳng định mình là một đĩa nhạc tách biệt với tất cả đĩa nhạc khác."

Bennington tiếp tục sáng tác cho album trong thời gian đang lưu diễn với Dead by Sunrise để hỗ trợ cho album phòng thu năm 2009 của họ là Out of Ashes. Ông cho biết Linkin Park vẫn đang thực hiện một đĩa nhạc chủ đề, và nói trong một cuộc phỏng vấn khác với MTV rằng, "chúng tôi có thể chỉ cần tạo một đĩa nhạc và vẫn cố gắng thực hiện một chủ đề nhưng phải tìm ra cách để thực hiện mà không thực sự phải đợi thêm 5 hoặc 6 năm nữa để đợi tạo ra một đĩa nhạc mới, để cố gắng làm được tất cả những điều điên rồ mà chúng tôi đang nghĩ ra. Và chúng tôi đang làm như vậy." Tay bass Dave "Phoenix" Farrell dự đoán người hâm mộ của ban nhạc sẽ bị chia rẽ vì A Thousand Suns, nói rằng, "Chúng tôi biết rằng [album] sẽ khác biệt, và nếu người hâm mộ đang mong đợi Hybrid Theory hoặc Meteora, họ sẽ ngạc nhiên. Mọi người sẽ mất một thời gian để hiểu được nó và biết phải làm gì với nó." [5]

Khi được hỏi về dự án mới, tay trống Rob Bourdon cho biết, “Chúng tôi có xu hướng cầu toàn và đó là phong cách chúng tôi làm việc. Chúng tôi thích ở trong phòng thu và khi bước vào đó, chúng tôi sáng tác rất nhiều nhạc phẩm." [6] Bourdon nói rằng album là một thách thức, "Chúng tôi đã tạo ra âm nhạc trong một thời gian dài nên một trong những thách thức là phải phát triển và tạo ra thứ gì đó để khiến chúng tôi hứng thú và cũng có nhiều niềm vui trong quá trình làm việc. Chúng tôi đã quen với việc tạo ra một loại nhạc nhất định và sử dụng âm hưởng để thực hiện điều đó. Vì vậy, để thoát ra khỏi thói quen đó và thúc đẩy bản thân phát triển chắc chắn là một thách thức." Sau đó, Shinoda nói rằng album không phải là một đĩa nhạc chủ đề,[7] nói, "Mọi người đã hỏi chúng tôi liệu đó có phải là một đĩa nhạc chủ đề hay không, và trong giữa quá trình tạo ra nó, chúng tôi đang cân nhắc xem đó có phải là thứ chúng tôi muốn tạo ra hay không". tuy nhiên ông cho rằng sau cùng thì, A Thousand Suns khi hoàn thành lại không có cốt truyện nào và "trừu tượng" hơn nhiều album chủ đề.