Fue compuesta por Julian Bunetta, Liam Payne, John Ryan, Jamie Scott y Louis Tomlinson, mientras que el primero de estos la produjo.
[1][2] «Midnight Memories» fue coescrita por John Ryan, Jamie Scott, Liam Payne, Louis Tomlinson y Julian Bunetta quien también se ocupó de la producción musical.
[1][2] En una entrevista con MTV News, Bunetta, productor del tema, reveló que «Midnight Memories» fue el segundo tema después de «Story of My Life», en ser escrito por los miembros de la banda e incluido en su tercer disco.
[4] Según la partitura publicada en Musicnotes por Universal Music Publishing Group, la canción posee un compás de 4/4 y se interpreta a 152 pulsaciones por minuto.
[4] «Midnight Memories» posee una progresión armónica básica de la mayor-si menor-do mayor-re mayor-fa-sol.