Ca khúc được cấu trúc bởi rất nhiều đoạn nhỏ, bắt đầu với một đoạn dạo rất êm bằng tiếng chạy ngón guitar acoustic 6 dây với tiếng của 4 chiếc sáo theo phong cách âm nhạc Phục hưng[16] (cho tới 2:15), tiếp sau bởi một đoạn guitar điện chậm rãi (2:16-5:33), rồi một đoạn dài guitar solo (5:34-6:44) trước khi tới một đoạn hard rock dữ dội hơn (6:45-7:45) và kết thúc bởi một đoạn ngắn có âm hưởng giống như đoạn dạo đầu.

Được viết ở giọng La (A) thứ, ca khúc được bắt đầu với một đoạn chạy ngón guitar theo thứ tự hợp âm giảm dần A-G#-G-F#-F-E. John Paul Jones đóng góp một phần bass mộc quan trọng cùng với sáo (anh thử dùng ban đầu với mellotron, sau đó là Yamaha CP70B Grand Piano và Yamaha GX1 trong các buổi trình diễn trực tiếp)[14] và sau đó là chiếc piano điện Hohner Electra-Piano ở đoạn tiếp.

Đoạn nhạc tiếp tục với nhiều bè guitar, từng chiếc một hòa âm với đoạn mở đầu cho tới khi trống xuất hiện ở 4'18". Đoạn Jimmy Page chơi guitar solo được thực hiện với chiếc 1959 Fender Telecaster mà anh được Jeff Beck tặng trước kia (cây đàn mà Beck hay chơi khi còn ở The Yardbirds cùng Page), được cắm vào dàn ampli của Supro[17]. Tuy nhiên, trong một bài phỏng vấn tại tạp chí Guitar World, Page lại nói: "Có thể nó là một chiếc Marshall, tôi cũng không nhớ chính xác."[11] Có tới tận 3 đoạn solo khác nhau được thu thử, và Page phải nghe lại nhiều lần để quyết định lựa chọn. Anh nói: "Tôi thấy rằng lần đầu tiên nghe không ổn, vậy nên có tận ba bản khác nhau. Tôi có nghe kỹ lại chúng trước mỗi lần băng thâu được bật lại." Phần guitar còn lại được chơi bằng chiếc acoustic Harmony Sovereign H1260 và chiếc guitar điện Fender XII (chiếc 12-dây được cắm trực tiếp vào máy chỉnh âm), và chúng lần lượt được nghe bằng 2 bên tai trái rồi phải. Trong các buổi trình diễn trực tiếp, Page chuyển sang sử dụng cây đàn 2 cần huyền thoại Heritage Cherry Gibson EDS-1275 6/12. Đoạn kết ca khúc chạy theo tiết tấu i-VII-VI (bè thứ tự nhiên) với các hợp âm Am-G-F.

Một trong những điều vô cùng đáng chú ý của ca khúc là đoạn đổi nhịp của chính đoạn guitar solo bất tử trên. Khi đang chơi ở nhịp 4/4 ở đoạn trước, một đoạn nhấn nhanh và mạnh đã chuyển tất cả ngay sang nhịp 8. Đây vốn là một thử thách lớn với mọi nghệ sĩ, nhưng nó lại giúp cho đoạn vào guitar solo trở nên tự nhiên hơn.

Kỹ thuật viên âm thanh Andy Johns nhớ lại quá trình thực hiện đoạn solo guitar huyền thoại của Jimmy Page: "Tôi nhớ Page đã gặp chút khó khăn với đoạn solo của "Stairway to Heaven"... Thực ra anh ấy chưa xác định thể hiện nó như thế nào. Bây giờ thì bạn có thể mất cả ngày chỉ để làm một điều duy nhất. Tuy nhiên, chúng tôi chưa từng làm thế bao giờ. Chúng tôi chưa bao giờ lại phải tốn thời gian cho việc thu âm. Tôi vẫn nhớ lúc ngồi trong phòng thu với Jimmy, cậu ta đứng bên, viết một vài dòng rồi tự thấy không ra đâu vào đâu. Tôi thấy rằng cậu ấy đang bất lực và điều đó khiến tôi cảm thấy bất lực. Tôi quay lại và gắt: "Cậu làm tôi thấy bực rồi đó!" và cậu ấy nói: "Chính ông làm tôi bực thì có!" Đó đúng là một vòng bực tức luẩn quẩn. Và đùng một cái, chỉ ngay trong bản thu sau, hoặc sau đó, cậu ấy đã thành công!"[18]

Theo chính Page, "Stairway to Heaven" là ca khúc "... đã kết tinh những điểm nổi bật nhất của ban nhạc. Ở đó có mọi thứ và đã chứng minh với mọi người rằng ban nhạc là những người xuất sắc nhất... trong vai trò của một ban nhạc, một tập thể. Không nói về đoạn solo hay bất kể thứ gì cụ thể, mọi điều tinh túy của các thành viên đều ở đó. Chúng tôi luôn dè dặt khi phát hành nó dưới dạng đĩa đơn. Đó quả là một sự kiện quan trọng với tất cả chúng tôi. Mỗi người đều muốn thể hiện nó ở chất lượng tốt nhất, một thứ có thể tồn tại lâu dài và tôi nghĩ chúng tôi đã thành công với "Stairway"[19]. Townshend đã từng nghĩ rằng mình đã đạt tới điều đó với Tommy. Tôi thì nghĩ rằng tôi không có đủ khả năng để làm lại điều đó một lần nữa. Tôi đã phải lao động vô cùng vất vả trước khi đạt tới một thứ trường tồn như vậy, thực sự xuất sắc."[20]