Sheeran nasceu em Halifax, West Yorkshire, mas se mudou para Framlingham, Suffolk, quando criança. Seu pai, John Sheeran, é um curador de arte e professor. Sua mãe, Imogen Lock Sheeran, é publicitária de formação, mas atualmente trabalha como designer de jóias. Seu irmão mais velho, Matthew, é compositor de música clássica e também pós-graduado em música.

Os avós paternos de Ed são irlandeses e ele foi criado como católico romano, cantando no coral da igreja local desde os quatro anos, onde aprendeu tocar violão e logo começou a escrever músicas durante o tempo que passou na escola Thomas Mills. Suas memórias de infância incluem escutar Van Morrison quando ia para Londres com seus pais e prestigiar um show de Damien Rice na Irlanda quando tinha onze anos. Ed é padrinho do Youth Music Theatre UK, onde foi aceito quando adolescente.