W październiku 2013 roku Sheeran zagrał jako główna gwiazda trzy wyprzedane koncerty w nowojorskim Madison Square Garden. Podczas tych występów zaprezentował premierowo nowe utwory, w tym „Tenerife Sea” – ścieżkę, która trafiła później na jego drugi album studyjny. Sheeran wydał singiel „I See Fire” 5 listopada 2013 roku. Piosenka pojawiła się na napisach końcowych filmu Hobbit: Pustkowie Smauga, na oficjalnej ścieżce dźwiękowej do tej produkcji oraz na wersji deluxe jego drugiego albumu. Sheeran otrzymał także nominację w kategorii Najlepszy nowy artysta podczas rozdania nagród Grammy w 2014 roku.
2014–2015: x (Multiply) W 2014 wydał swój drugi album studyjny, zatytułowany X, na którym znalazło się dwanaście utworów, w tym single „Sing”, „Don’t” i „Thinking Out Loud”. Rozszerzona wersja płyty została wzbogacona o pięć nowych piosenek, m.in. o singiel „I See Fire”. W sierpniu Sheeran wyruszył w trasę koncertową promującą płytę. thumb|Ed Sheeran, 2015 W styczniu 2015 zdobył nominację do Nagród Brytyjskiego Rynku Fonograficznego w czterech kategoriach: Teledysk roku brytyjskiego wykonawcy i Brytyjski singiel roku (za utwór „Thinking Out Loud”), a także Brytyjski album roku według MasterCard (za płytę X) i Brytyjski artysta roku, za wygraną w których ostatecznie otrzymał dwie statuetki.