مطهری نزد محمد صدوقی، کتاب «مطوّل» را فراگرفت و نزد سید شهاب الدین مرعشی نجفی ، «شرح لمعه» را آموخت. در دوره اقامت پانزده ساله خود در قم از سید حسین طباطبایی (در فقه و اصول) و روح الله خمینی  (به مدت ۱۲ سال در فلسفه و اصول) و سید محمد حسین طباطبایی (در فلسفه: الهیات شفای بوعلی و دروس دیگر) بهره گرفت.

قبل از نقل مکان سید حسین طباطبایی بروجردی به قم ، مطهری گاهی به بروجرد می‌رفت و از درس وی استفاده می‌کرد. وی مدتی نیز از درس و بحث اخلاقی حاج میرزا علی آقاشیرازی بهره برد.سید محمد حجت(در اصول) وسید محمدمحقق داماد (در فقه) از استادان دیگر مرتضی مطهری بودند. وی در مدت اقامت خود در قم علاوه بر تحصیل علم، در امور اجتماعی و سیاسی نیز مشارکت داشت و از جمله بافدائیان اسلام در ارتباط بوده‌است.