"Thinking Out Loud" là một bản ballad trữ tình về tình yêu[12][13] với ảnh hưởng của nhạc blue-eyed soul.[14] Ed Sheeran miêu tả đây là bài hát thích hợp để bật tại lễ cưới.[15] Về lời bài hát, Eric Clarke, giáo sư âm nhạc của Đại học Oxford cho rằng Sheeran nói về "việc người ta già đi cùng lòng chung thủy và tình yêu trong một ngữ cảnh khá là thông thường".[16]

Bài hát được viết ở khóa rê trưởng với nhịp độ 79 nhịp một phút. Quãng giọng của Ed Sheeran kéo dài từ A2 tới B4.[17] Trong bản mix lại, giọng Sheeran lớn "một cách kỳ lạ" so với tiếng nhạc nền, điều, theo Mike Senior của Sound on Sound, là "hiếm có" trong các bản thu đương đại.[18] Senior phân tích các yếu tố thanh nhạc và nhận thấy, mặc dù một số nốt vượt quá cao độ, "khuôn khổ tổng thể của giọng về căn bản được duy trì ở mức vừa phải".[18]

Các nhà báo đặc biệt chú ý những nét tương đồng của "Thinking Out Loud" và "Let's Get It On", đĩa đơn của Marvin Gaye ra năm 1973. Andrew Unterberger của Spin nhận xét "cấu trúc trầm bốn nốt lên xuống nhẹ nhàng cùng những tiếng trống sắc kiểu soup thập niên 70 hoàn toàn khớp với bản nhạc kinh điển của Gaye, ngoài ra còn cả lời bài hát như muốn nài nỉ sự ôm ấp và cảm giác về khung cảnh phòng ngủ tràn ngập ánh nến nữa".[19] Jason Lipshutz của Billboard gọi đây là "bản update mượt mà" của bản nhạc kinh điển.[20]