Jabarkan 2014-2015:  x dari Ed Sheeran

Pada 24 Maret 2014, Sheeran tampil di konser amal Teenage Cancer Trust di Royal Albert Hall di London di mana ia meluncurkan "Take It Back", sebuah lagu yang akan muncul di versi deluxe dari album kedua. "Sing", single utama, dirilis pada tanggal 7 April 2014. Lagu ini adalah perpindahan dari rekaman Sheeran sebelumnya. "Sing" dimaksudkan untuk menciptakan hype dari rilis album, tapi muncul kekhawatiran bahwa lagu ini mungkin mengasingkan Sheeran dari basis penggemar. "One", sebuah balada akustik, dirilis pada 16 Mei 2014; "One" juga menandai beberapa single promosi pertama yang dirilis mengarah ke rilis album. Pada awal Juni 2014, "Sing" telah mendapatkan nomor satu Sheeran pertama di Inggris.

Album studio kedua Sheeran ini, x (dibaca sebagai "multiply"), dirilis di seluruh dunia pada 23 Juni 2014. Dalam rentang waktu tiga tahun, Sheeran menulis lebih dari 120 lagu untuk album, awal yang terdiri setelah  +  dirilis. Fitur album lagu yang dihasilkan oleh Rick Rubin, Pharrell Williams dan Benny Blanco,.  x  memuncak di nomor satu di UK Albums Chart dan  Billboard  200 AS. Untuk mendukung album, Sheeran memulai tur dunia mulai pada tanggal 6 Agustus 2014 di Osaka, Jepang. Pada tanggal 27 September 2014, Sheeran adalah salah satu pengisi acara di Melbourne Cricket Ground sebelum AFL Grand Final 2014.

Setelah "Don't", "Thinking Out Loud" dirilis pada tanggal 24 September 2014 single ketiga album. Tidak seperti video musik sebelumnya, Sheeran mengambil peran utama dalam video musik, di mana ia melakukan dansa ballroom. Single ini menjadi single keduanya untuk mencapai nomor satu di Inggris, dan menghabiskan delapan minggu di nomor dua di  Billboard  Hot 100 AS (dengan hanya "Uptown Funk" dari Mark Ronson menampilkan Bruno Mars tetap di posisi pertama). Pada tahun 2014, dikombinasikan pemutaran daring pada katalog Sheeran di Spotify mencapai 860 juta; Spotify menobatkannya sebagai artis dengan pemutaran daring terbanyak dan  x  sebagai album dengan pemutaran daring terbanyak. Pada tahun yang sama, album ini juga menjadikan Sheeran sebagai artis paling laris iTunes di Inggris, Irlandia dan Selandia Baru.

x dinominasikan untuk Album of the Year di Grammy Awards 2015. Pada tanggal 25 Februari Sheeran memenangkan British Male Solo Artist dan British Album of the Year untuk  x  di Brit Awards 2015. Pada tanggal 21 Mei 2015, di Ivor Novello Awards, Sheeran menerima penghargaan sebagai Songwriter of the Year. Pada tanggal 21 Juni Sheeran menjadi pembawa acara Much Music Video Awards 2015 di Toronto, di mana ia membawakan single, "Thinking Out Loud" dan "Photograph"; ia juga memenangkan dua penghargaan, Best International Artist dan Most Buzzworthy International Artist or Group. Pada tanggal 27 Juni Sheeran menjadi pembuka untuk The Rolling Stones di Zip Code Tour mereka di Arrowhead Stadium Kansas City. Pada 10-12 Juli 2015, pertunjukan Sheeran terjual habis di Stadion Wembley London. Pertunjukan ini, yang diumumkan pada bulan November 2014, adalah bagian dari tur dunianya. Konser ini didokumentasikan dan disiarkan pada 16 Agustus 2015 NBC; satu jam khusus Ed Sheeran–Live at Wembley Stadium juga termasuk video belakang panggung. Pada bulan September 2015, Sheeran menulis "Love Yourself" untuk album keempat Justin Bieber. Sheeran awalnya merencanakan untuk menempatkan lagu itu pada album ketiganya ÷ dan menambahkan bahwa lagu itu akan dibatalkan masuk ke albumnya sebelum Bieber mengambil lagu itu.> Pada tanggal 26 September, Sheeran tampil pada global Citizen Festival 2015 di Central Park's Great Lawn di New York, sebuah acara yang diselenggarakan oleh vokalis Coldplay, Chris Martin, yang menganjurkan akhir kemiskinan global yang ekstrem. Sheeran tampil di festival bersama dengan Beyoncé, Coldplay, dan Pearl Jam. Festival ini disiarkan di NBC di Amerika Serikat pada 27 September dan BBC di Inggris pada 28 September. Sheeran menjadi pembawa acara MTV Europe Music Awards 2015 pada 25 Oktober di Milan, Italia. Ia memenangkan penghargaan untuk Best Live Act dan Best Live Stage; untuk penampilannya di V Festival di Inggris pada 2014. Sheeran memenangkan penghargaan Breakthrough pada  Billboard  Touring Awards 2015.

Singlenya dari  x , "Thinking Out Loud", membuatnya mendapatkan dua Grammy Awards di Grammy Awards 2016: Song of the Year dan Best Pop Solo Performance. Pada bulan Mei 2016, x dinobatkan sebagai album terlaris kedua di seluruh dunia pada tahun 2015, di belakang   25  oleh Adele.