I 1965, mens Barrett studerede maleri og finere kunst på Camberwell kunstskole i det sydlige London, studerede Waters, trommeslageren Nick Mason og keyboardspilleren Rick Wright arkitektur på Regent Street Polytechnic. De rekrutterede hr. Barrett til at være med i deres bluesband. Barrett kombinerede fornavnene på to bluesmænd, Pink Anderson og Floyd Council, for at give gruppen navnet Pink Floyd.
Blues-rock trådte snart tilbage i Pink Floyds musik og gav plads til sange, der byggede på Beatles’ popinnovationer og de udvidede opfattelser fra 1960’erne. Musikken fulgte Barretts tekster gennem meterændringer, usandsynlige mellemspil og de overjordiske lydeffekter, som bandet genererede på scenen på London-klubber som UFO, der var en bastion for psykedelia. Barrett brugte en ekkomaskine og lod en Zippo lighter glide langs guitarstrengene for at skabe en af Pink Floyds soniske signaturer.
I begyndelsen af 1967 underskrev Pink Floyd en kontrakt med EMI Records. De to første singler “Arnold Layne”, en kærlig sang om en transvestit, og “See Emily Play” nåede den britiske top 20. Pink Floyd indspillede sit debutalbum i Abbey Road Studios, mens Beatles arbejdede på “Sgt. Pepper’s Lonely Hearts Club Band” lige ved siden af. “The Piper at the Gates of Dawn” var et definitivt psykedelisk album. Sangene blandede barnlig forundring med varsler om katastrofe, og musikken drejede ud på overdrevne tangenter, før den vendte tilbage til popkorene.
På scenen var musikken mere friformet og anarkistisk. Bandmedlemmer har sagt, at Barrett var ustabil, allerede inden han begyndte at bruge omfattende stoffer, og han fik et ry for at opføre sig mærkeligt. Til et show forsøgte han at smøre sit hår med en kombination af Brylcreem og knuste Mandrax beroligende piller, som blev smeltet af scenelyset og begyndte at sive ned ad hans ansigt, mens han spillede. Da han spillede på Fillmore West på Pink Floyds amerikanske turné i 1967, stod Barrett og stirrede ud i det uvisse og forcerede strengene på sin guitar. Bandet afbrød sin amerikanske turné.
I løbet af 1967 tog Barrett LSD hver dag, og det gjorde ham ofte ude af stand til at optræde. Gilmour sluttede sig til Pink Floyd sent i 1967, og i foråret 1968 var Barrett ude af bandet. Han skrev den sang, der afslutter “A Saucerful of Secrets”, Pink Floyds andet album: “Jugband Blues”, som indeholder et frelsens hærband, der spiller på et afsnit. “Det er frygtelig betænksomt af jer at tænke på mig her,” sang han, “og jeg er jer meget taknemmelig for at gøre det klart/at jeg ikke er her.”