در سن دوازده سالگی به حوزه علمیه مشهد عزیمت نموده و به تح

در سن دوازده سالگی به حوزه علمیه مشهد عزیمت نموده و به تحصیل مقدمات علوم اسلامی اشتغال می ورزد. در سال ۱۳۱۶ علیرغم مبارزه شدید رضاخان با روحانیت و علیرغم مخالفت دوستان و نزدیکان، برای تکمیل تحصیلات خود عازم حوزه علمیه قم می شود در حالی که به تازگی موسس گرانقدر آن آیت الله العظمی حاج شیخ عبدالکریم حائری یزدی دیده از جهان فروبسته و ریاست حوزه را سه تن از مدرسان بزرگ آن آیات عظام سید محمد حجت، سید صدرالدین صدر و سید محمد تقی خوانساری به عهد گرفته اند. 
در دوره اقامت پانزده ساله خود در قم از محضر مرحوم آیت الله العظمی بروجردی (در فقه و اصول) و حضرت امام خمینی ( به مدت ۱۲ سال در فلسفه ملاصدرا و عرفان و اخلاق و اصول) و مرحوم علامه سید محمد حسین طباطبائی (در فلسفه : الهیات شفای بوعلی و دروس دیگر) بهره می گیرد. قبل از هجرت آیت الله العظمی بروجردی به قم نیز استاد شهید گاهی به بروجرد می رفته و از محضر ایشان استفاده می کرده است. مولف شهید مدتی نیز از محضر مرحوم آیت الله حاج میرزا علی آقا شیرازی در اخلاق و عرفان بهره های معنوی فراوان برده است. از اساتید دیگر استاد مطهری می توان از مرحوم آیت الله سید محمد حجت ( در اصول) و مرحوم آیت الله سید محمد محقق داماد (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 فدائیان اسلام در ارتباط بوده است. در سال ۱۳۳۱ در حالی که از مدرسین معروف و ازامیدهای آینده حوزه به شمار می رود به تهران مهاجرت می کند.