"Jag har precis landat i Lissabon och det finns ett slott på en kulle här, så det finns bara en sak vi kan göra", sa musikern i en video som publicerades på hans sida på Instagram.
Sångaren med hits som "Shape of You" och "Thinking Out Loud" fick oväntat sällskap under sitt improviserade framträdande, men han lät sig inte skrämmas.
"Sjunger 'Castle on the Hill' 'featuring' en fiskmås på Castelo de São Jorge i Lissabon före kvällens show", skämtade han.
Ed Sheeran var ett av huvudnumren på Rock in Rio Lisboa-festivalen som ägde rum på Palco Mundo på söndagskvällen.
Festivalen återkommer den 22 juni på samma plats med Jonas Brothers som huvudnummer och sedan igen den 23 juni med Doja Cat som det stora dragplåstret.