En 1965, alors que M. Barrett étudiait la peinture et les beaux-arts à l’école d’art de Camberwell, dans le sud de Londres, M. Waters, le batteur Nick Mason et le claviériste Rick Wright étudiaient l’architecture à l’école polytechnique de Regent Street. Ils ont recruté M. Barrett pour rejoindre leur groupe de blues. M. Barrett a combiné les prénoms de deux bluesmen, Pink Anderson et Floyd Council, pour nommer le groupe Pink Floyd.
Le blues-rock a rapidement reculé dans la musique de Pink Floyd, laissant place à des chansons qui s’appuyaient sur les innovations pop des Beatles et les perceptions élargies des années 1960. La musique suit les paroles de M. Barrett à travers des changements de mesure, des interludes improbables et les effets sonores d’un autre monde que le groupe génère sur scène dans des clubs londoniens comme l’UFO, bastion du psychédélisme. M. Barrett utilisait une machine à écho et faisait glisser un briquet Zippo le long des cordes de sa guitare pour créer l’une des signatures sonores de Pink Floyd.
Au début de 1967, Pink Floyd signe chez EMI Records. Ses deux premiers singles « Arnold Layne », une chanson affectueuse sur un travesti, et « See Emily Play » atteignent le Top 20 britannique. Pink Floyd réalise son premier album aux studios d’Abbey Road, alors que les Beatles travaillent à côté sur « Sgt. Pepper’s Lonely Hearts Club Band ». « The Piper at the Gates of Dawn » est un album psychédélique définitif. Ses chansons mêlaient émerveillement enfantin et présages de désastre, et sa musique prenait des tangentes exubérantes avant de revenir à des refrains pop.
Sur scène, la musique était plus libre et anarchique. Les membres du groupe ont déclaré que M. Barrett était instable avant même de commencer à consommer beaucoup de drogues, et il a développé une réputation de comportement étrange. Lors d’un concert, il a essayé de lisser ses cheveux avec une combinaison de Brylcreem et de pilules tranquillisantes Mandrax écrasées, qui ont été fondues par les lumières de la scène et ont commencé à suinter sur son visage pendant qu’il jouait. Lors de la tournée américaine de 1967 de Pink Floyd au Fillmore West, M. Barrett regardait fixement dans le vide et désaccordait les cordes de sa guitare. Le groupe a écourté sa tournée américaine.
En 1967, M. Barrett prenait du LSD tous les jours, ce qui le rendait souvent incapable de jouer. M. Gilmour rejoint Pink Floyd à la fin de l’année 1967, et au printemps 1968, M. Barrett n’est plus dans le groupe. Il a écrit la chanson qui clôt « A Saucerful of Secrets », le deuxième album de Pink Floyd : « Jugband Blues », qui inclut un groupe de l’Armée du Salut jouant sur une section. « C’est très gentil de votre part de penser à moi ici », chantait-il, « et je vous suis très reconnaissant d’avoir précisé/que je ne suis pas ici. »