"Watermelon Sugar" là một bài hát rock,[14]funk-pop,[15]indie pop,[16]mang yếu tố của thập niên 1970 và soul.[17][18]Nó được sáng tác trong nhịp 4
4 và khoá của la thứ, với nhịp độ 96 nhịp mỗi phút và các hợp âm bắt đầu là Dm7–Am7–C–G. Bản nhạc có cấu trúc gồm mở đầu, đoạn chuyển, điệp khúc, hậu điệp khúc, đoạn cầu, điệp khúc, hậu điệp khúc và run trong hai phút năm mươi ba giây.[19]Được hỗ trở bởi guitar và kèn, bài hát cũng chứa những yếu tố của kèn đồng, âm hưởng mùa hè và giai điệu đơn giản gợi nhớ đến nhạc jazz.[20][21][22][23]Bài hát được mở đầu bằng tiếng đàn guitar trong đó tiếng guitar điện và trống đã sớm hoà quyện vào với nhau.[24]Kèn trumpet được thêm vào trong đoạn điệp khúc thứ hai, và phát triển đến đoạn cầu, nổi bật với những tiếng kèn và nốt cao xuất thần.[25][26][27]Bài hát kết thúc với những tiếng kèn đồng.[28]

Giọng hát của Styles, được mô tả là "khàn", kéo dài từ D3 đến A4.[29][30]Bài hát sử dụng phép ẩn dụ của trái câu và mùa hè để mô tả một cuộc gặp gỡ tình dục.[27]Theo Styles, bài hát nói về cảm giác hưng phấn và phấn khích ban đầu khi một người lần đầu tiên nhìn thấy ai đó.[4]Styles chia sẻ rằng đó là về sự cực khoái của phụ nữ.[31]Anh ấy sử dụng các nốt dài để truyền tải thông điệp này và đoạn điệp khúc cuối thể hiện quãng giọng cao hơn của Styles.[32]Ca từ của bài hát sử dụng phép tu từ và hình ảnh.[33]