Vuonna 1965, kun Barrett opiskeli maalausta ja kuvataidetta Camberwellin taidekoulussa Etelä-Lontoossa, Waters, rumpali Nick Mason ja kosketinsoittaja Rick Wright opiskelivat arkkitehtuuria Regent Streetin ammattikorkeakoulussa. He värväsivät Barrettin mukaan bluesbändiinsä. Barrett yhdisti kahden bluesmiehen, Pink Andersonin ja Floyd Councilin, etunimet ja antoi yhtyeelle nimen Pink Floyd.
Blues-rock väistyi pian Pink Floydin musiikissa ja antoi tilaa kappaleille, jotka rakentuivat Beatlesin pop-innovaatioiden ja 1960-luvun laajentuneiden käsitysten varaan. Musiikki seurasi herra Barrettin sanoituksia metrimuutosten, epätodennäköisten välisoittojen ja tuonpuoleisten äänitehosteiden kautta, joita bändi loi lavalla lontoolaisilla klubeilla, kuten psykedelian linnakkeessa UFO:ssa. Barrett käytti kaikukonetta ja liu’utti Zippon sytytintä kitaran kieliä pitkin luodakseen yhden Pink Floydin äänimerkistä.
Vuoden 1967 alussa Pink Floyd teki sopimuksen EMI Recordsin kanssa. Sen kaksi ensimmäistä singleä ”Arnold Layne”, herttainen laulu transvestiitista, ja ”See Emily Play” pääsivät Britannian Top 20:een. Pink Floyd teki debyyttialbuminsa Abbey Road -studiolla, kun Beatles työsti naapurissa ”Sgt. Pepper’s Lonely Hearts Club Bandia”. ”The Piper at the Gates of Dawn” oli lopullinen psykedeelinen albumi. Sen lauluissa sekoittuivat lapsenomainen ihmetys ja katastrofin enteet, ja musiikki ajautui riemukkaisiin sivupolkuihin ennen kuin palasi pop-kertosäkeisiin.
Lavalla musiikki oli vapaamuotoisempaa ja anarkistisempaa. Bändin jäsenet ovat sanoneet Barrettin olleen epävakaa jo ennen kuin hän aloitti laajamittaisen huumeidenkäytön, ja hänelle kehittyi maine omituisesta käytöksestä. Eräällä keikalla hän yritti liukastella hiuksiaan Brylcreemin ja murskattujen Mandrax-rauhoituspillereiden yhdistelmällä, joka suli lavavaloissa ja alkoi valua hänen kasvoilleen soittaessaan. Soittaessaan Fillmore Westissä Pink Floydin Amerikan-kiertueella vuonna 1967 Barrett seisoi tuijottaen avaruuteen ja virittäen kitaransa kieliä. Yhtye keskeytti Amerikan-kiertueensa.
Vuonna 1967 herra Barrett käytti LSD:tä joka päivä, ja se jätti hänet usein esiintymiskyvyttömäksi. Gilmour liittyi Pink Floydiin loppuvuodesta 1967, ja keväällä 1968 Barrett oli poissa yhtyeestä. Hän kirjoitti kappaleen, joka päättää Pink Floydin toisen albumin ”A Saucerful of Secrets”: ”Jugband Blues”, jossa pelastusarmeijan bändi soittaa yhdessä kohdassa. ”On kauhean huomaavaista, että ajattelette minua täällä”, hän lauloi, ”ja olen hyvin kiitollinen siitä, että teette selväksi/että en ole täällä.”