وی پس از طی دوران طفولیت به مکتبخانه رفته و به فراگیری دروس ابتدایی می‌پردازد. در سن 12‌سالگی به حوزه علمیه مشهد [استان خراسان رضوی] عزیمت نموده و به تحصیل مقدمات علوم اسلامی اشتغال می‌ورزد.

در سال 1316 علیرغم مبارزه شدید رضاخان با روحانیت و علیرغم مخالفت دوستان و نزدیکان، برای تکمیل تحصیلات خود عازم حوزه علمیه قم می‌شود در حالی که به تازگی موسس گرانقدر آن آیت‌الله العظمی حاج شیخ عبدالکریم حائری یزدی دیده از جهان فروبسته و ریاست حوزه را سه تن از مدرسان بزرگ آن آیات عظام سید‌محمد‌ حجت، سید‌صدرالدین صدر و سید‌محمد‌تقی خوانساری به عهد گرفته‌اند.

در دوره اقامت 15 ساله خود در قم از محضر مرحوم آیت‌الله العظمی بروجردی (در فقه و اصول) و حضرت امام‌خمینی (به مدت 12 سال در فلسفه ملاصدرا و عرفان و اخلاق و اصول) و مرحوم علامه سید‌محمد‌حسین طباطبائی (در فلسفه‌: الهیات شفای بوعلی و دروس دیگر) بهره می‌گیرد. وی قبل از هجرت آیت الله العظمی بروجردی به قم نیز گاهی به بروجرد می‌رفته و از محضر ایشان استفاده می‌کرده است و مدتی نیز از محضر مرحوم آیت‌الله حاج میرزا‌علی‌آقا شیرازی در اخلاق و عرفان بهره‌های معنوی فراوان برده است.

از اساتید دیگر استاد مطهری می‌توان از مرحوم آیت‌الله سید‌محمد حجت (در اصول) و مرحوم آیت‌الله سید‌محمد محقق‌داماد (در فقه) نام برد. وی در مدت اقامت خود در قم علاوه بر تحصیل علم، در امور اجتماعی و سیاسی نیز مشارکت داشته و از جمله با فدائیان‌اسلام در ارتباط بوده است. در سال 1331 در حالی که از مدرسین معروف و از امیدهای آینده حوزه به شمار می‌رود به تهران مهاجرت می‌کند و در تهران به تدریس در مدرسه مروی و تألیف و سخنرانیهای تحقیقی می‌پردازد.

در سال 1334 اولین جلسه تفسیر انجمن اسلامی دانشجویان توسط استاد مطهری تشکیل می‌گردد. در همان سال تدریس خود در دانشکده الهیات و معارف اسلامی دانشگاه تهران را آغاز می کند. در سالهای 1337 و 1338 که انجمن اسلامی پزشکان تشکیل می‌شود. استاد مطهری از سخنرانان اصلی این انجمن است و در طول سالهای 1340 تا 1350 سخنران منحصر ‌به ‌فرد این انجمن می‌باشد که بحث‌های مهمی از ایشان به یادگار مانده است.

آیت‌الله مطهری در ساعت یک بعد از نیمه شب روز چهارشنبه 15 خرداد 1342 به دنبال یک سخنرانی مهیج علیه شخص شاه به وسیله پلیس دستگیر شده و به زندان موقت شهربانی منتقل می‌شود و به همراه تعدادی از روحانیون تهران زندانی می‌گردد. پس از 43 روز به دنبال مهاجرت علمای شهرستانها به تهران و فشار مردم، به همراه سایر روحانیون از زندان آزاد می‌شود.

پس از تشکیل هیئتهای موتلفه اسلامی، استاد مطهری از سوی امام‌خمینی همراه چند تن دیگر از شخصیتهای روحانی عهده‌دار رهبری این هیئت‌ها می‌گردد. در این زمان وی به تألیف کتاب در موضوعات مورد نیاز جامعه و ایراد سخنرانی در دانشگاهها، مسجد هدایت، مسجد جامع نارمک و غیره ادامه می‌دهد.

به طور کلی مطهری که به یک نهضت اسلامی معتقد بود، برای اسلامی کردن محتوای نهضت تلاش‌های ایدئولوژیک بسیاری انجام داد از جمله اقدام به تأسیس حسینیه ارشاد کرد. در سال 1348 به خاطر صدور اعلامیه ای با امضای ایشان و علامه طباطبایی و آِیت‌الله حاج سید ابوالفضل مجتهد زنجانی مبنی بر جمع اعانه برای کمک به آوارگان فلسطینی و اعلام آن طی یک سخنرانی در حسینیه ارشاد دستگیر شد و مدت کوتاهی در زندان تک سلولی به سربرد.

از سال 1349 تا 1351 برنامه‌های تبلیغی مسجدالجواد را زیر نظر داشت و غالباً خود سخنران اصلی بود تا اینکه آن مسجد و به دنبال آن حسینیه ارشاد تعطیل گردید و بار دیگر استاد مطهری دستگیر و مدتی در بازداشت قرار‌‌گرفت. در حدود سال 1353 ممنوع المنبر شد و این ممنوعیت تا پیروزی انقلاب‌اسلامی ادامه داشت.

مطهری در سال 1355 به دنبال درگیری با یک استاد کمونیست دانشکده الهیات زودتر از موعد مقرر بازنشسته می‌شود. همچنین در این سالها وی با همکاری تنی چند از شخصیتهای روحانی، جامعه روحانیت مبارز تهران را بنیان می گذارد. در سال 1355 به نجف اشرف سفر و ضمن دیدار با امام خمینی درباره مسائل مهم نهضت و حوزه‌های علمیه با ایشان مشورت کرد.