Quá trình thu âm của "Stairway to Heaven" bắt đầu từ tháng 10 năm 1970 ở phòng thu mới Basing Street Studios của hãng Island Records ở London[8]. Plant là người hoàn thiện phần lời của ca khúc trong quá trình thực hiện Led Zeppelin IV tại Headley Grange, Hampshire vào năm 1971[9]. Sau đó Page quay lại Island Studios để thu âm riêng phần guitar solo[6].

Jimmy Page và Robert Plant cùng nhau có ý tưởng với ca khúc này khi cư ngụ ở cottage Bron-Yr-Aur, nằm ở một vùng đồng quê thuộc xứ Wales, sau tour diễn vòng quanh nước Mỹ lần thứ năm của Led Zeppelin. Theo Page, anh viết ca khúc "trong suốt một thời gian dài, và đoạn đầu xuất hiện vào một đêm ở Bron-Yr-Aur"[10]. Page luôn luôn mang theo máy thâu cát-sét bên người, và ý tưởng "Stairway" lóe lên trong đầu anh chỉ với một đoạn băng nhỏ xíu[11]: "Tôi hình dung được đoạn nhỏ đó, đoạn guitar đó, và tôi muốn gộp tất cả chúng lại. Tôi có toàn bộ ý tưởng cho đoạn nhạc đó, và tôi thực sự muốn thử và mang chúng tới cho mọi người nghe và cảm nhận nó. Có chút khó khăn, đó là nó được bắt đầu bởi tiếng acoustic, mà trước sau nó cũng sẽ kết thúc bằng tiếng nhạc cụ điện. Chúng tôi đã nghĩ mọi cách [ở Headley Grange] khi tôi tìm cách chơi guitar acoustic rồi lại thử chuyển qua guitar điện. Robert ngồi ở một góc, như kiểu dính vào tường vậy, và khi tôi bắt đầu giải thích cho các thành viên khác về ý tưởng này, thì anh ấy bắt đầu viết. Đột nhiên anh ấy đứng bật dậy và hát, với một giai điệu hoàn toàn khác, thậm chí với 80% ca từ cần thiết... Tôi chợt nắm lấy nó, và tôi biết cái cách mà chúng tôi cần thực hiện, và điều quan trọng là cần làm cho mọi người cảm thấy thoải mái nhất với mọi đoạn chuyển sắp sửa diễn ra."[12]

Tay bass John Paul Jones nhớ lại việc được nghe những ý tưởng đầu tiên của ca khúc ở Bron-Yr-Aur: "Page và Plant đi từ trên núi về và có trong tay đoạn mở đầu và đoạn vào. Thực sự mà nói tôi nghe nó lần đầu khi trước mặt là ngọn lửa và ở bên là một căn nhà ở vùng đồng quê! Tôi vớ lấy chiếc máy thu bass và thử chơi một đoạn luyến cho đoạn mở đầu. Thế rồi tôi đi ra chỗ chiếc piano để chơi cho đoạn tiếp theo, thu cùng với những chiếc guitar."[13]

Trong một bài phỏng vấn năm 1977, Page bộc bạch: "Tôi còn giữ một đoạn băng mà chúng tôi chơi "Stairway to Heaven" với tất cả các thành viên của nhóm. Tôi đã nghiên cứu nó rất kỹ càng suốt cả đêm cùng JPJ, trước khi tôi bắt đầu viết đoạn chuyển. Vào lúc đó chúng tôi vẫn sống cùng nhau và vẫn cùng nhau có một lịch sinh hoạt đều đặn, nhưng chúng tôi quyết định không thể tuân theo nó vào ngày hôm sau. Đó có lẽ là nơi duy nhất có được cảm giác yên bình. Có một lý do khó hiểu gì đó mà Bonzo lại bị lỗi nhịp khi tới đoạn đàn 12-dây trước đoạn solo. Mọi đoạn khác đều được thực hiện rất nhanh gọn."[8]

Phần ca từ được viết bởi ca sĩ chính Plant trước ngọn lửa đêm ở Headley Grange theo một cách gần như ngay tức khắc, và Page thừa nhận rằng "hầu hết phần ca từ được viết ngay ở đó và vào lúc ấy"[11]. Jimmy Page đã tự bè phần nhạc còn Robert Plant đã ngồi với cây bút chì và giấy. Plant sau này nói rằng "Đột nhiên, ngón tay tôi tự viết ra từng chữ. "There's a lady is sure [sic], all that glitters is gold, and she's buying a stairway to heaven". Tôi đang ngồi ở đó, nhìn tất cả mọi người rồi đột nhiên như thấy nhảy ra khỏi chỗ vậy." Plant cũng giải thích phần ca từ là "những lời lẽ khá thô lỗ về một người đàn bà có được tất cả mọi điều mình muốn mà chưa từng thắc mắc hay quan tâm. Những câu đầu tiên như một tiếng phẩy tay rất mạnh vậy... rồi mọi thứ cứ êm dần sau đó."[14]

Phần ca từ bị ảnh hưởng lớn từ những gì mà Plant đang đọc vào thời điểm đó. Ca sĩ đã mang vào đó phong cách viết của nhà nghiên cứu thám hiểm Lewis Spence, và sau đó kể tên cuốn Magic Arts in Celtic Britain của Spence như một trong những nguồn cảm hứng của mình[9].

Tháng 11 năm 1970, Page đã gợi ý với báo chí ở London về ca khúc mới của nhóm: "Đó là một ca khúc dài. Các anh đều biết "Dazed and Confused" và những ca khúc như vậy được hát thế nào phải không? Chúng tôi muốn thử sức với organ và guitar, từng đoạn từng đoạn một, và sau đó là phần của nhạc cụ điện... Có thể là một ca khúc dài tới 15 phút."[9]

Page cũng cho rằng ca khúc "bùng nổ như từng dòng adrenaline vậy"[15]. Anh giải thích: "Tôi quay trở lại phòng thu cùng John Paul Jones, điều duy nhất mà anh sẽ không cố làm đó là đẩy nhanh tiến độ, vì anh biết là nếu thúc ép quá, anh có thể sẽ không được chấp nhận nữa. Mọi thứ cần phải ở đúng khuôn khổ của nó. Và thực tế thì tôi lại rất muốn viết một thứ gì đó gấp gáp hơn và đầy adrenaline trong đó, và nó hướng tôi tới việc viết những nốt bổng. Và đó chính là một ý tưởng hay. Chính vì thế mà chúng tôi phải cùng nhau tập với nó."[12]

Bản thâu tại phòng thu hoàn chỉnh nhất được phát hành trong album Led Zeppelin IV vào tháng 11 năm 1971. Hãng đĩa của nhóm, Atlantic Records, đề nghị đưa ca khúc trở thành đĩa đơn, song quản lý Peter Grant từ chối điều đó tới 2 lần vào năm 1972 và 1973. Lý do của quyết định này là vì ông muốn người nghe buộc phải mua cả album thay vì chỉ mua mỗi đĩa đơn[6]. Tuy nhiên, ở Mỹ, Atlantic vẫn phát hành đĩa đơn "Stairway to Heaven" ở định dạng 7" đĩa than vào năm 1972.