حفظ الشيخ رحمه الله كتاب الله في سن مبكرة، وقبل أن يتجاوز الخامسة عشر من عمره كان يحفظ ـ بالإضافة إلى كتاب الله ـ"زاد المستقنع"و"ألفيَّة ابن مالك"ـ كما أخبر بذلك هو عن نفسه.
وقد جدَّ الشيخ ونشط في طلب العلم على قلة ذات اليد في ذلك الزمان، وقد حدَّث عن نفسه فقال إنه كان لا يملك إلا"الروض المربع"يقرأ فيه، في غرفة من طين تطل على"زريبة بقر"!
قرأ القرآن الكريم على جده من جهة أمه (الشيخ عبد الرحمن بن سليمان آل دامغ رحمه الله) فحفظه ثم اتجه إلى طلب العلم فتعلم الخط والحساب وبعض فنون الآداب، وكان الشيخ عبد الرحمن السعدي - رحمه الله - قد أقام اثنين من طلبة العلم عنده ليدرسا الطلبة الصغار، أحدهما الشيخ علي الصالحي، والثاني الشيخ محمد بن عبد العزيز المطوع - رحمه الله - فقرأ عليه شيخنا العثيمين مختصر العقيدة الواسطية للشيخ عبد الرحمن السعدي، ومنهاج السالكين في الفقه للشيخ السعدي أيضًا، والأجروميّة والألفيّة.
يعتبر العلامة الشيخ عبد الرحمن بن ناصر السعدي - رحمه الله - شيخه الأول حيث لازمه وقرأ عليه غالب العلوم منها: التوحيد، والتفسير، والحديث، والفقه، وأصول الفقه، والفرائض، ومصطلح الحديث والنحو والصرف.
ولقد كانت للشيخ العثيمين منزلة عظيمة ومكانة جليلة لدى شيخه السعدي - رحمه الله - ويظهر حرص شيخنا العلامة عبد الرحمن السعدي على - الشيخ محمد رحمه الله - لمّا أنتقل والد الشيخ محمد - رحمه الله - إلى الرياض إبان أول تطوره رغب في أن ينتقل معه ولده (محمد) فكتب له الشيخ السعدي (إن هذا لا يمكن نريد محمدًا أن يمكث هنا حتى يستفيد)
[*] يقول فضيلة الشيخ العثيمين - رحمه الله - (إنني تأثرت به كثيرًا في طريقة التدريس وعرض العلم وتقريبه للطلبة بالأمثلة والمعاني، وكذلك أيضًا تأثرت به من ناحية الأخلاق لأن الشيخ عبد الرحمن السعدي - رحمه الله - كان على جانب كبير من الأخلاق الفاضلة، وكان - رحمه الله - على قدر كبير في العلم والعبادة، وكان يمازح الصغير ويضحك الكبير، وهو من أحسن من رأيت أخلاقًا)
وأما سماحة الشيخ / عبد العزيز بن باز - رحمه الله - يعتبر الشيخ الثاني - لشيخنا العثيمين - حيث قرأ عليه ابتداءً صحيح الإمام البخاري وبعض رسائل شيخ الإسلام ابن تيمية وبعض الكتب الفقهية المتنوعة.