1965, medan Barrett studerade måleri och konst vid konstskolan Camberwell i södra London, studerade Waters, trummisen Nick Mason och keyboardisten Rick Wright arkitektur vid Regent Street Polytechnic. De rekryterade Barrett till sitt bluesband. Barrett kombinerade förnamnen på två bluesmän, Pink Anderson och Floyd Council, för att ge gruppen namnet Pink Floyd.
Bluesrocken gick snart tillbaka i Pink Floyds musik och gav plats åt låtar som byggde på Beatles popinnovationer och 1960-talets utvidgade uppfattningar. Musiken följde Barretts texter genom meterbyten, osannolika mellanspel och de utomvärldsliga ljudeffekter som bandet genererade på scenen på Londonklubbar som UFO, en bastion för psykedelia. Barrett använde en ekomaskin och förde en Zippotändare längs gitarrsträngarna för att skapa en av Pink Floyds ljudsignaturer.
I början av 1967 skrev Pink Floyd kontrakt med EMI Records. Deras två första singlar ”Arnold Layne”, en kärleksfull sång om en transvestit, och ”See Emily Play” nådde den brittiska topp 20-listan. Pink Floyd gjorde sitt debutalbum i Abbey Road Studios, medan Beatles arbetade med ”Sgt. Pepper’s Lonely Hearts Club Band” bredvid. ”The Piper at the Gates of Dawn” var ett definitivt psykedeliskt album. Låtarna blandade barnsliga förundran med förespeglingar om katastrofer, och musiken svängde av på sprudlande tangenter innan den återvände till popkörer.
På scenen var musiken mer friformig och anarkistisk. Bandmedlemmar har sagt att Barrett var instabil redan innan han började använda omfattande droger, och han utvecklade ett rykte om sig att bete sig udda. Under en spelning försökte han släta ner sitt hår med en kombination av Brylcreem och krossade Mandrax lugnande tabletter, som smälte av scenljusen och började sippra ner i hans ansikte när han spelade. När han spelade på Fillmore West under Pink Floyds USA-turné 1967 stod Barrett och stirrade ut i det fria och stämde av strängarna på sin gitarr. Bandet avbröt sin amerikanska turné.
Under 1967 tog Barrett LSD varje dag, och det gjorde honom ofta oförmögen att uppträda. Gilmour anslöt sig till Pink Floyd i slutet av 1967, och våren 1968 hade Barrett lämnat bandet. Han skrev låten som avslutar ”A Saucerful of Secrets”, Pink Floyds andra album: ”Jugband Blues”, som innehåller ett band från Frälsningsarmén som spelar på ett avsnitt. ”Det är väldigt omtänksamt av er att tänka på mig här”, sjöng han, ”och jag är mycket tacksam för att ni gör det klart/att jag inte är här.”