"Mystery of Love" là một ca khúc thuộc thể loại acoustic có thời lượng dài bốn phút và tám giây.[17][18] Ca khúc được viết ở giọng Sol trưởng, sử dụng nhịp 44 với tiết tấu 108 nhịp trên phút.[19] Các nhạc cụ được sử dụng bao gồm đàn dây, đàn mandolin, đàn ghi ta và đàn piano.[19][20][21][22] Ba người đánh giá của North by Northwestern thấy rằng các bài hát của Stevens "thể hiện được sự thân mật" mà qua đó ám chỉ đến những chủ đề về thần thoại của bộ phim.[23] Alex Robert Ross của Noisey viết rằng bài hát có nhịp điệu "tinh tế với những tiếng gảy đàn ghi-ta".[21] Người viết của tờ The Daily Californian, Anagha Komaragiri, mô tả ca khúc là "nhẹ nhàng và bay bổng".[24] Daniel Mergarry, cây viết cho tạp chí Gay Times, gọi "Mystery of Love" là bài hát "giàu hy vọng hơn" trong hai bài hát của Stevens,[25] và David Bauder của Albany Times Union gọi đây là một bản ballad đáng yêu, vô cùng nhẹ nhàng và mềm mại".[26]

Trong bài hát, quãng giọng của Stevens trải dài từ nốt trầm D4 tới nốt cao E5.[19] Guadagnino cho rằng giọng hát của Stevens giống như pha lê và ví nó như giọng ca của một thiên thần.[2] Alex Robert Ross của Noisey để ý rằng anh hát với một chất giọng "nửa thì thầm".[21] Stevens nhận xét rằng việc sáng tác hai bài "Mystery of Love" và "Visions of Gideon" là dễ dàng vì cả hai đều có nội dung về "tình yêu và mất mát", một chủ đề mà anh đã sử dụng làm nền tảng cho việc sáng tác bài hát từ khi còn là một đứa trẻ.[27] Ca khúc mở đầu với việc Stevens thể hiện phần đầu tiên, lời bài hát gồm "Oh, to see without my eyes / The first time that you kissed me".[19] (tạm dịch: Ôi, khi không nhìn bằng đôi mắt của mình/ Vào lần đầu tiên anh hôn em.) Brandon Tensley của Pacific Standard thấy rằng lời ca của đoạn "The first time that you touched me / Oh, will wonders ever cease?" (tạm dịch: Lần đầu tiên anh chạm vào em / Ôi, những điều kinh ngạc liệu có ngừng lại?) đã mô tả mối quan hệ phức tạp giữa Elio và Oliver.[28] Ở lần lặp lại thứ ba của đoạn điệp khúc, lời bài hát được thay đổi thành "The last time that you touched me" (tạm dịch: Lần cuối cùng anh chạm vào em) sau khi Stevens hỏi "How much sorrow can I take?" (tạm dịch: Em có thể chịu được bao nhiêu buồn phiền?) ở đoạn trước đó, gợi nhắc đến "cái cách mà sự trống rỗng cứ ngày càng giày vò đã tát thẳng vào niềm hạnh phúc ban đầu [của Elio và Oliver] khi mùa hè qua đi".[28] Theo Ivan Raykoff từ blog OUP của nhà xuất bản Đại học Oxford, bài hát "mô tả sức mạnh giao tiếp vượt trội của xúc giác so với thị giác" cũng như tiềm năng trong việc tìm được cả sự thoải mái lẫn đau đớn trong sự hoài niệm.[22]

Joe Utichi của Deadline Hollywood nhận thấy sự ám chỉ đến tiểu bang Oregon trong "Mystery of Love", điều mà trước đó Stevens đã thử nghiệm với album phòng thu thứ bảy Carrie & Lowell (2015).[29] Stevens đề cập đến Rogue River, tên gọi của một con sông và cũng đồng thời là tên một thị trấn của bang, trong một đoạn của bài hát.[30] Trong một bài phỏng vấn, nam ca sĩ xác nhận khẳng định của Utichi và giải thích rằng "Mystery of Love" được viết ở Oregon khi anh đang trong chuyến lưu diễn cho album của mình.[29] Một số đoạn khác của bài hát lại ám chỉ đến những chú chim, thứ mà Stevens cho là đại diện cho "sự hoàn toàn tự do và siêu việt".[29] Sam Eichner từ UrbanDaddy chú ý đến chủ đề về Kitô giáo trong lời bài hát, nhận xét rằng "Cụ thể là, 'Mystery of Love' có một sự liên kết tự nhiên với tôn giáo, nâng cảm xúc chạm đến thế giới của sự siêu phàm".[31]