En 1965, mientras el Sr. Barrett estudiaba pintura y bellas artes en la escuela de arte de Camberwell, en el sur de Londres, el Sr. Waters, el batería Nick Mason y el teclista Rick Wright estudiaban arquitectura en el Regent Street Polytechnic. Reclutaron al Sr. Barrett para que se uniera a su banda de blues. El Sr. Barrett combinó los nombres de pila de dos bluesmen, Pink Anderson y Floyd Council, para llamar al grupo Pink Floyd.
El blues-rock pronto retrocedió en la música de Pink Floyd, dando paso a canciones que se basaban en las innovaciones pop de los Beatles y en las percepciones ampliadas de la década de 1960. La música seguía las letras del Sr. Barrett a través de cambios de métrica, interludios improbables y los efectos de sonido de otro mundo que la banda generaba en el escenario de clubes londinenses como el UFO, un bastión de la psicodelia. El Sr. Barrett utilizó una máquina de eco y deslizó un encendedor Zippo a lo largo de las cuerdas de su guitarra para crear una de las firmas sónicas de Pink Floyd.
A principios de 1967, Pink Floyd firmó con EMI Records. Sus dos primeros singles «Arnold Layne», una cariñosa canción sobre un travesti, y «See Emily Play» alcanzaron el Top 20 británico. Pink Floyd grabó su álbum de debut en los estudios Abbey Road, mientras los Beatles trabajaban en «Sgt. Pepper’s Lonely Hearts Club Band» al lado. «The Piper at the Gates of Dawn» fue un álbum psicodélico definitivo. Sus canciones mezclaban el asombro infantil con los presagios de desastre, y su música se desviaba por exuberantes tangentes antes de volver a los estribillos pop.
En el escenario, la música era más libre y anárquica. Los miembros de la banda han dicho que el Sr. Barrett era inestable incluso antes de que empezara a consumir drogas, y desarrolló una reputación de comportamiento extraño. En un concierto, trató de embadurnarse el pelo con una combinación de Brylcreem y pastillas tranquilizantes Mandrax trituradas, que se fundieron con las luces del escenario y empezaron a rezumar por su cara mientras tocaba. Tocando en el Fillmore West en la gira americana de Pink Floyd de 1967, el Sr. Barrett se quedó mirando al espacio y desafinando las cuerdas de su guitarra. La banda interrumpió su gira americana.
Durante 1967, el Sr. Barrett tomaba LSD todos los días, y eso a menudo le dejaba incapaz de actuar. El Sr. Gilmour se unió a Pink Floyd a finales de 1967, y en la primavera de 1968, el Sr. Barrett estaba fuera de la banda. Escribió la canción que cierra «A Saucerful of Secrets», el segundo álbum de Pink Floyd: «Jugband Blues», que incluye una banda del Ejército de Salvación tocando en una sección. «Es muy considerado de tu parte pensar en mí aquí», cantó, «y te estoy muy agradecido por dejar claro/que no estoy aquí».