Sein Interesse an der Astronomie wurde früh geweckt. Als er vierzehn war, zog ein auffälliger Komet mit sechs Schweifen über den Himmel, und vier Jahre später verfolgte er, wie der Mond die Sonne an seinem Wohnort zu mehr als 80 Prozent bedeckte.
Mit 21 Jahren ging Messier nach Paris und trat dort in die Dienste des Marine-Astronomen Joseph Nicholas Delisle.
In dessen Auftrag beobachtete er zwei Jahre später einen Durchgang des Planeten Merkur vor der Sonne und suchte ab 1757 nach dem Kometen Halley, dessen Wiederkehr der englische Astronom für das darauffolgende Jahr vorausgesagt hatte.
Bei seinen Berechnungen war Delisle allerdings ein Fehler unterlaufen, und so blieb die Suche erfolglos. Stattdessen fand Messier zahlreiche andere Nebelflecken.
Um diese nicht immer irrtümlich für Kometen zu halten, entschloss er sich, eine möglichst umfassende Liste zu veröffentlichen. 1771 erschien sein erster Katalog mit 45 Einträgen.
Danach setzte er die Sucharbeit zusammen mit seinem Kollegen Pierre Méchain fort und konnte schließlich eine Liste mit einhundertzehn Objekten veröffentlichen – den Messier-Katalog, der noch heute bei Amateurastronomen Verwendung findet.