"Birthday" là một bài hát thuộc thể loại nhạc disco[5] với độ dài 3:35.[6] Bài hát được viết bằng âm B trưởng và kéo theo đó là một dãy âm Emaj9–C♯m7–Emaj9–C♯m7–B với nhịp độ 126 nhịp trên phút (BPM). Giọng hát của Perry nằm trong khoảng từ nốt B3 đến nốt F♯5.[7] Trong buổi biểu diễn giới thiệu album Prism tổ chức tại New York thì Perry đã mô tả "Birthday" như một bài hát mà cô đã "nỗ lực viết nó" để nghệ sĩ thu âm người Mỹ Mariah Carey có thể có được trong album phòng thu đàu tay của cô ấy.[8] Kể từ khi bài hát được phát hành, phần nhạc của nó được so sánh với Prince và bộ đôi Wendy & Lisa.[9][10]

"Birthday" còn chứa các yếu tố của funk-pop, synthpop và disco house. Bài hát chứa giai điệu sôi động cùng với một xung lực nhịp nhàng sâu sắc. Randall Roberts của tờ Los Angeles Times đánh giá "Birthday" như là một phiên bản cập nhật của nhạc disco, là sự thay thế âm thanh của "dây đàn sang trọng" bằng "sự phá cách điên rồ và âm điệu sạch sẽ". Phần lời của bài hát trình bày việc tổ chức kỷ niệm sinh nhật của người yêu như một phép ẩn dụ cho sự quan hệ tình dục. Phần đầu của "Birthday", khi Perry hát câu "Let me get you in your birthday suit / It's time to bring out the big balloons", được Ben Rattliff tìm ra gần giống như những gì bộ đôi DJ người Pháp Daft Punk từng làm.