Sheeran sáng tác "Thinking Out Loud" cùng Amy Wadge,[4] ca sĩ người viết bài hát sống ở Wales. Anh gặp Wadge năm 17 tuổi và kể từ đó họ đã cùng nhau sáng tác nhiều bài hát. Năm bài hát trong số đó được phát hành trong EP Songs I Wrote with Amy[5] mà Sheeran phát hành độc lập vào ngày 4 tháng 4 năm 2010. Wadge cũng đồng sáng tác bài hát "Gold Rush", nằm trong phiên bản deluxe của album Sheeran's debut album, + (2011).[4]

Vào tháng 2 năm 2014, Wadge đến chơi nhà Sheeran[4] khi album x chuẩn bị hoàn thiện.[6] Wadge tiết lộ rằng cô đến không phải để sáng tác bài hát.[4]

Trong lúc Sheeran tắm, Wadge đánh một vài đoạn hợp âm bằng guitar. Giai điệu đó lập tức thu hút sự chú ý của Sheeran và anh chạy xuống nhà. Sheeran tỏ ý đưa giai điệu đó vào sáng tác.[4] Theo lời Sheeran, anh sáng tác giai điệu bằng guitar theo phong cách "cực kỳ giống Van", ý chỉ Van Morrison. Nhạc sĩ người Ireland là nguồn cảm hứng của Sheeran khi còn nhỏ, và Sheeran muốn nắm bắt cảm xúc đó khi anh sáng tác bài hát.[7]

Trong bếp ăn,[8] Sheeran và Wadge bắt đầu viết bài hát từ lúc 2 giờ sáng, và hoàn thành nó trong 20 phút.[4] Theo Wadge, nội dung trữ tình bắt nguồn từ cuộc nói chuyện giữa cô và Sheeran về chủ đề "tình yêu bất diệt", lấy cảm hứng từ những sự kiện liên quan diễn ra thời điểm đó.[9] Sheeran cũng bật mí rằng lời bài hát nguồn cảm hứng cũng đến từ bạn gái của anh khi đó là Athina Andrelos,[10] người Sheeran gặp đầu năm 2014. Sheeran sau đó giải thích rằng anh viết bài hát khi "mối quan hệ đang rất, rất hạnh phúc".[11]

Ngay sau khi viết xong, Sheeran thu âm lại bài hát bằng điện thoại.[4] Anh rất muốn "Thinking Out Loud" có mặt trong album thứ hai. Anh thu âm lại bài hát và ngày hôm sau tại Sticky Studios, và thông báo với Wadge về việc chọn bài hát này cho album.[4] Đây cũng là bài hát cuối cùng được thu cho album.[4] Sheeran cũng tìm kiếm sự giúp đỡ từ phía Jake Gosling, người trước đó sản xuất phần lớn album + cũng như bốn bài hát trong album x.