"Photograph" là một bản ballad acoustic với nhạc khí bao gồm guitar acoustic, piano, keyboard, guitar điện và bass, và trống điện tử. Bài hát bắt đầu với những tiếng guitar acoustic và nối tiếp bởi phím đàn piano, "cứ thế cho tới khi những tiếng trống cỡ lớn bắt đầu vang dội".[1]

Vào tháng 5 năm 2012, Sheeran tham gia tour diễn của Snow Patrol với tư cách nghệ sĩ mở màn một số buổi diễn tại Bắc Mỹ. Johnny McDaid, một thành viên của nhóm, chính là người tạo nên đoạn loop piano dài ba nốt[2] mà sau đó chính là tiền đề của "Photograph". Động cơ phát triển bài hát được thúc đẩy khi Sheeran, lúc này đang ở một khách sạn tại Kansas City, cứ ngân nga điệp khúc "loving can hurt, loving can hurt" trong lúc đoạn loop[2] đang vang lên trên máy tính của McDaid.[3] Sau bốn tiếng tiếp tục các hoạt động cá nhân trong lúc lên ý tưởng cho bài hát, Sheeran liền lấy cây guitar của anh ra và họ chính thức bắt đầu xây dựng nó;[4] McDaid cũng thêm phần nhạc nền cho bài hát.[5] Theo Sheeran, họ chỉ mất nửa tiếng để hoàn thành công việc soạn nhạc cho bài hát. Cả hai chỉ thực sự nhận ra những gì họ đã tạo ra chỉ sau khi nghe thử lại vào ngày hôm sau và cuối cùng quyết định ghi âm nó.[5]

Theo Sheeran, anh có lẽ đã thu bài hát 60 hay 70 lần theo nhiều phiên bản khác nhau từ hát trực tiếp tới phiên bản có tiếng đệm piano đi kèm. Anh cũng thu âm với nhiều nghệ sĩ khác ngoài McDaid ra như Jake Gosling, người sản xuất phần lớn album +, và Rick Rubin, người cũng có nhiều đóng góp cho album x. Tuy nhiên những phiên bản này không làm anh thỏa mãn và anh quyết định nhờ sự giúp đỡ từ Jeff Bhasker. Sự cộng tác này đem lại hiệu quả tích cực và Bhasker tiếp tục hoàn thiện và chau chuốt cho bản thu trong vài tháng sau đó cho tới khi họ cảm thấy hoàn hảo. Sheeran coi "Photograph" là bản thu đầu tiên được hoàn thiện một cách chuẩn mực cho sản phẩm phòng thu tiếp theo.[6]

Lời bài hát kể về một mối tình xa cách[7] với những chi tiết như khi nhân vật chính nhớ về lúc anh và người con gái của mình trao nụ hôn "bên dưới ánh đèn đường, trên con phố thứ 6",[7][8] hay khi cô gái ấy giữ những tấm ảnh của anh "trong túi quần jeans rách [của cô ấy]".[9] Trong một buổi phỏng vấn trên đài phát thanh, Sheeran xác nhận "Photograph" lấy cảm hứng từ một cô gái tên Nina,[10] cùng tên với một bài hát trong album x. Nina này chính là Nina Nesbitt, ca sĩ-người viết ca khúc người Edinburgh, Scotland, người anh từng hẹn hò trong khoảng một năm.