John entrou na faculdade de Artes, mas continuou dando prioridade para a banda. Em 1960 os quatro garotos, com Pete Best na bateria, foram para Hamburgo, onde tocaram uma temporada de 48 noites em bares da cidade, fazendo shows longos, movidos à anfetaminas. Stucliffe ficou em Hamburgo, e de volta a Liverpool, com Paul no baixo, eles começaram a ganhar fama tocando no Cavern Club, onde conheceram o empresário Brian Epstein, que os aconselhou a substituir Best por Ringo Starr na bateria. O resto é história. A partir do primeiro single gravado, Love Me Do, em 1962, os Beatles viaram a maior banda de rock do mundo e símbolo da década de 60, durante a chamada "Beatlemania".
Em fevereiro de 1964 o grupo foi para os Estados Unidos, onde se apresentaram no popular programa de TV do apresentador Ed Sullivan, e a “Beatlemania” atravessou o Atlântico. No mesmo anos eles fizeram o filme A Hard Days Night, o primeiro de vários longas-metragens com as músicas da banda e eles atuando.
Em 1965 John tomou LSD pela primeira vez, na casa de seu dentista. Antes, em uma ocasião lendária, Bob Dylan ofereceu aos quatro garotos, que até então apenas bebiam e tomavam anfetaminas para aguentar as maratonas de shows, um cigarro de maconha. O contato com estas drogas típicas da contracultura então nascente na década de 60, gerou uma mudança de rumo nos Beatles, que saíram do pop iê-iê-iê em direção ao experimentalismo psicodélico, a partir do álbum Rubber Soul. Em Help!, John já mostrava um lado mais sombrio e atormentado com a fama. No mesmo ano, em entrevista a uma repórter do jornal inglês Evening Standard, ele disse: “O Cristianismo vai passar. Vai desaparecer e encolher... nós somos mais populares que Jesus hoje. Não sei qual vai passar antes, o rock and roll ou o Cristianismo”. A declaração enfureceu grupos cristãos, que promoveram queimas públicas de discos dos Beatles.
Lennon também expressou insatisfação com os shows ao vivo dos Beatles, porque as fãs gritavam tão alto que eles não conseguiam ouvir direito o que tocavam. No ano seguinte a banda decidiu não fazer mais shows, e se concentrarem na produção dos álbuns, o que gerou as obras-primas Revolver, de 1966, e Sgt. Peppers Lonely Hearts Club Band, do ano seguinte, que utilizaram técnicas inovadoras de gravação e manipulação em estúdio.
Lennon e McCartney dividiam o crédito da maioria das composições dos Beatles, mas poucas foram realmente escritas em dupla, quase todas no início da banda. Lennon é o autor, por exemplo, de Help!, A Hard Days Night, I Feel Fine, Nowhere Man, Lucy in the Sky With Diamonds, I am the Walrus, Revolution, Strawberry Fields Forever e Come Together, mostrando uma personalidade mais sombria e inconformista que Paul. As diferenças entre os dois se acirraram com a morte de Epstein, quando Paul quis ter maior controle sobre a banda. A entrada em cena de Yoko Ono também foi mal vista pelos outros membros dos Beatles. John começou a gravar músicas acompanhado de Yoko, e entre 1968 e 1969 eles lançaram três álbuns experimentais, e formaram a Plastic Ono Band. A banda fez músicas como Instant Karma!, composta e gravada em apenas um dia, e Cold Turkey, sobre os sintomas da abstinência da heroína. Em 1969, após a gravação do disco Abbey Road, Lennon decidiu sair dos Beatles. Ele e os outros membros decidiram não tornar isso público. Em 1970 Paul informou a imprensa de que estava saindo da banda, ao lançar seu primeiro disco solo. John não gostou nada e isso abalou ainda mais a relação entre os dois. Era o fim dos Beatles.