Trong một cuộc phỏng vấn với Youtube về album Teenage Dream vào tháng 8 năm 2012, Perry tiết lộ rằng "Hummingbird Heartbeat" là một trong những bài hát đầu tiên cô viết khi tour diễn Hello Katy Tour (2009) của cô kết thúc. Về bài hát, Perry nói lần đầu tiên xuất hiện ý tưởng cho bài hát khi cô đang ở quê nhà Santa Barbra, California:

"Tôi đang dùng bữa sáng thì bỗng tôi nhìn thấy một chú chim ruồi và chú chim ruồi cũng đã có một bữa sáng như thể...tôi cũng không biết sao nữa, bạn biết đấy chim ruồi được cho là biểu tượng của sự may mắn và lúc đó tôi chỉ nghĩ về chim ruồi. Tôi nghĩ rằng "Nhịp tim của chúng nhanh bao nhiêu?" như là "bao nhiêu nhịp trên một phút", và sử dụng ý tưởng đó như là ý tưởng của một ai đó làm bạn tim bạn cảm thấy đập thật nhanh"

"Hummingbird Heartbeat" là một bài hát glam metal rock với tiết tấu nhanh và mang trong đó âm hưởng của thể loại dance-pop. Bài hát chịu ảnh hưởng của thể loại nhạc những năm 80. "Hummingbird Heartbeat" được viết bằng khóa F♯ với một nhịp độ trung bình là 120 nhịp một phút. Giọng hát của Perry nằm trong khoảng từ nốt thấp nhất A♯3 đến nốt cao nhất của D♯5. Phần nhạc đệm và điệp khúc là dãy nốt F♯/B-C♯-A♯M7-Bmaj9, trong khi đó phần hát của Perry là dãy nốt D♯M7-C♯-F♯7-Bmaj9. Phần đệm nhạc của bài hát bao gồm guitar điện, trống, piano và toàn bộ các nhạc cụ khác trong quá trình sản xuất của nó.