Pobierał lekcje fortepianu, lecz już wcześniej sam zaczął naukę gry na nim. Interesował się muzyką kompozytorów francuskich takich jak Claude Debussy i Maurice Ravel, prosił także o operowe wyciągi fortepianowe w ramach prezentu gwiazdkowego. W tym czasie zaczął komponować. W 1918 ojciec rodziny wrócił z wojny i rodzina przeprowadziła się do Nantes. Jeden z jego nauczycieli, Jehan de Gibon, podarował mu partyturę opery Debussy’ego Peleas i Melisanda, którą Messiaen określił jako „piorun z jasnego nieba” i „utwór mający prawdopodobnie najbardziej znaczący wpływ na mnie”. Następnego roku Pierre Messiaen otrzymał posadę nauczycielską w Paryżu. Olivier wstąpił do Konserwatorium Paryskiego w roku 1919, w wieku lat 11.

W Konserwatorium Messiaen bardzo szybko poczynił postępy. W roku 1924, w wieku lat 15 został nagrodzony w dziedzinie harmonii, jego nauczycielem był wówczas Jean Gallon. W roku 1926 zdobył pierwszą nagrodę w zakresie kontrapunktu i fugi, a w roku 1927 zdobył pierwszą nagrodę w kategorii akompaniamentu fortepianowego. Po studiach u Maurice’a Emmanuela zdobył pierwszą nagrodę w kategorii historii muzyki w roku 1928. Tam zainteresował się rytmiką antycznej Grecji i egzotycznymi modi.