LLEGADA A LA FAMA MUNDIAL.
Durante esta época, Pink Floyd se distanció de la psicodelia y se convirtió en una banda difícil de clasificar. Los distintos estilos de cada uno de los compositores confluyeron en uno único, que cristalizó en las dos obras más importantes de su discografía, para crítica y público: The Dark Side of the Moon (1973) y Wish You Were Here (1975). En ambas obras, Gilmour se convirtió en el principal vocalista de la formación, mientras que los coros femeninos y el saxofón de Dick Parry adquirieron especial relevancia. El ambiente de colaboración se había ido enfriando en la época anterior, hasta que Waters tomó el timón compositivo, en el aspecto musical y letrístico, en el disco The Dark Side of the Moon. La última colaboración de Wright como compositor y vocalista se dio en «Time» y «Shine on You Crazy Diamond», respectivamente, mientras que las aportaciones compositivas de Gilmour descendieron abruptamente hasta que Waters dejó la banda en 1985.
El sonido del grupo había sido más coherente en Meddle (1971). La canción «Echoes», de 23 minutos de duración, fue descrita por Waters como un «poema sónico» debido a sus constantes efectos de sonido, y está considerada como una de sus mejores piezas. Este álbum ya posee el estilo característico de la banda que llevaría a su máxima expresión en discos venideros, y se eliminó la orquesta que tanto protagonismo tuvo en Atom Heart Mother. Meddle alcanzó el tercer puesto en el Reino Unido, pero la falta de publicidad por parte de Capitol Records en los Estados Unidos hizo que en este país sólo alcanzase el 70º.
El siguiente trabajo de la banda fue Obscured by Clouds (1972), grabado en Francia, y que conformó la banda sonora de la película La Vallé de Barbet Schroeder. Se convirtió en el primer top 50 para Pink Floyd en los EE.UU., además de alcanzar el sexto lugar en el Reino Unido. La letra de la canción «Free Four» fue la primera referencia en una canción a la muerte del padre de Waters en la Segunda Guerra Mundial, un tema que se estableció como recurrente en posteriores trabajos. Además, la canción «Childhood's End» fue la última contribución lírica de Gilmour en quince años, y está basada en el libro del mismo nombre de Arthur C. Clarke. Estilísticamente, es un álbum ligeramente distinto a su antecesor, Meddle, con canciones más cortas y con la reducción del uso de efectos sonoros para la creación de atmósferas, rozando en muchos casos el blues rock, el folk rock o el soft rock.

La publicación del superéxito The Dark Side of the Moon en 1973 marcó un antes y un después en la popularidad de la banda. Pink Floyd había dejado de editar sencillos desde 1968, cuando «Point Me at the Sky» fue publicado; sin embargo, «Money» rompió esta tendencia y alcanzó el 20º puesto en los EE.UU. Por su parte, el álbum se convirtió en el primer número uno de la banda en este país, convirtiéndose en uno de los más vendidos en la historia de los Estados Unidos, sobrepasando los quince millones de copias, y uno de los más vendidos en todo el mundo, con más de cuarenta millones. Además, permaneció en el Billboard 200 durante 741 semanas, récord en aquel momento, incluyendo 591 consecutivas desde 1976 hasta 1988, lo que significó otro récord mundial; se estima que alrededor de una de cada cuatro familias británicas posee una copia del disco en alguno de sus formatos. También se mantuvo en las listas británicas durante 301 semanas, aunque nunca superó el segundo lugar. En este álbum el saxofón adquiere un papel muy importante, expresando las influencias del jazz, especialmente visibles en Wright, lo cual, junto con el protagonismo del coro femenino, ayuda a diversificar la textura del álbum. A lo largo de éste se escuchan varias veces extractos de entrevistas a algunos ayudantes del grupo reproducidas de fondo. Las letras y el sonido del álbum intentan describir de algún modo las presiones que sufre el ser humano a lo largo de su existencia. Su portada, que representa en un prisma el fenómeno de la dispersión de la luz, fue ideada por Storm Thorgerson y Audrey Powell.
Poco después de la publicación de The Dark Side of the Moon apareció el recopilatorio A Nice Pair, que recoge los dos primeros discos de la banda, The Piper at the Gates of Dawn y A Saucerful of Secrets. También alrededor de esta época se publicó el primer vídeo en directo del grupo, Live at Pompei, grabado antes de la publicación de The Dark Side of the Moon en el anfiteatro de Pompeya, una de las ciudades de la antigua Roma destruidas por el Vesubio hace más de 2000 años. El concierto fue grabado sin ningún tipo de público, exceptuando a los ayudantes del grupo y el equipo de grabación. En el vídeo, dirigido por Adrian Maben, se incluyen también entrevistas a los miembros de Pink Floyd y escenas detrás de los escenarios, y durante la grabación de The Dark Side en los estudios Abbey Road.
Después del éxito de The Dark Side, los miembros de Pink Floyd procuraron no hacerse repetitivos con respecto al rumbo musical que iban a tomar a partir de ese momento, preguntándose si serían capaces de continuar en los más alto de las listas de ventas. En una vuelta a sus comienzos experimentales, comenzaron a trabajar en un proyecto de álbum llamado Household Objects, llamado así porque las canciones iban a estar interpretadas con objetos caseros (como sierras, cubos de agua, martillos, gomas elásticas o copas). Sin embargo, el proyecto fue abandonado porque los integrantes de la banda decidieron que era mejor y más fácil tocar las canciones con sus respectivos instrumentos. No existen grabaciones definitivas de este proyecto, aunque algunos de los efectos obtenidos fueron empleados en posteriores trabajos.
Wish You Were Here, publicado en 1975, trata acerca de la ausencia de sentimientos humanos en el mundo de la industria musical, y también de la añoranza del antiguo miembro del grupo Syd Barrett. Conocido principalmente por el tema homónimo, el disco contiene también una extensa canción de 26 minutos dividida en nueve partes y dos pistas titulada «Shine on You Crazy Diamond», un tributo a Barrett en el cual la letra trata expresamente de las consecuencias de su salida del grupo. Muchas de las pasadas influencias de la banda fueron mezcladas en esta canción, que termina con una referencia a uno de los primeros sencillos de la discografía de Pink Floyd, «See Emily Play». El resto de canciones, «Welcome to the Machine» y «Have a Cigar» (cantada por Roy Harper), exhiben, como se dice, una fuerte crítica a la industrialización de la música. Wish You Were Here fue el primer álbum en alcanzar el primer puesto en el Reino Unido y en los EE.UU., y fue igual de alabado por la crítica que The Dark Side of the Moon.
En una famosa anécdota, un hombre gordo y con la cabeza y las cejas completamente afeitadas llegó al estudio mientras los integrantes del grupo estaban mezclando «Shine on You Crazy Diamond». Ninguno de ellos fue capaz de reconocerlo, hasta que de repente uno de ellos se dio cuenta de que era Syd Barrett. Preguntado por su extraña gordura, Barrett dijo que había estado comiendo demasiadas chuletas de cerdo. En una entrevista en el 2001 al canal BBC para grabar el documental Syd Barrett: Crazy Diamond, Wright dijo:
«Una cosa que realmente permanece en mi memoria, que nunca olvidaré; sucedió en las sesiones de "Shine On". Llegué al estudio y ví a ese hombre sentado al fondo del estudio, estaba tan lejos como tu lo estás de mí. Y no lo reconocí. Dije '¿Quién es este fulano detrás tuyo?' 'Ese es Syd'. Y simplemente me vine abajo, no lo podía creer... Se había afeitado todo el pelo... Es decir, hasta las cejas, todo... Iba de arriba a abajo, haciendo ruido con los dientes, era horroroso. Y, eh, yo estaba, quiero decir, Roger estaba llorando, creo que yo también; los dos estábamos llorando. Fue muy chocante... siete años sin contacto, y llegar entonces, cuando nosotros estamos haciendo esa canción en particular. No sé, coincidencia, karma, destino, ¿quién sabe? Pero fue muy, muy, muy potente.»
En el mismo documental, Nick Mason expresó: «Cuando pienso en ello, aún puedo ver sus ojos, pero... todo era diferente». Waters también intervino en la entrevista: «No tuve ni idea de quién era durante mucho tiempo», así como Gilmour: «Ninguno de nosotros lo reconoció. Afeitada... la cabeza calva afeitada, y muy gordo».