Messi có trận ra mắt đấu trường Champions League ở trận đấu với Werder Bremen vào ngày 14/9/2005. Chàng trai trẻ người Argentina được tung vào sân thay Giuly ở phút 66. 2 tháng sau, Messi có pha lập công đầu tiên ở đấu trường này, trong chiến thắng 5-0 của Barcelona trước Panathinaikos vào 02/11.
Ở mùa giải đó, Messi cũng lần đầu đoạt chức vô địch Champions League cùng Barcelona. Tuy nhiên, anh không đóng góp nhiều cho đội bóng chủ sân Nou Camp vì gặp chấn thương.
Sau khi lên thay Frank Rijkaard làm HLV trưởng Barcelona, Pep Guardiola bắt đầu xây dựng đội bóng xung quanh siêu sao người Argentina và quyết định của ông đã được tưởng thượng hậu hĩnh. Messi ghi bàn đều đặn ở các đấu trường Barcelona chinh chiến, đặc biệt là Champions League. Mùa 2008/2009, Messi lần đầu ghi bàn ở một trận CK Champions League. Cú đánh đầu ấn định tỉ số 2-0 của cầu thủ sinh năm 1987 đã giúp Barcelona đoạt cúp khỏi tay Man United một cách đầy thuyết phục. Phong độ chói sáng tại Champions League cũng là một trong những lý do giúp Messi giành cú đúp danh hiệu "Quả bóng vàng FIFA" và "Cầu thủ xuất sắc nhất thế giới".
Messi lần đầu tiên lập hat-trick tại Champions League ở trận tứ kết với Arsenal trong mùa 2009/10. Thành tích này cũng giúp M10 trở thành cầu thủ đầu tiên ghi được 4 bàn trong 1 trận đấu knock-out ở giải đấu danh giá nhất châu Âu ở cấp độ CLB.
Mùa giải "thần thánh" 2011/12 của Barcelona được tạo nên với chất xúc tác chính là Messi. Trên con đường chiếc cúp Champions League thứ 3 trong sự nghiệp, Barcelona của Messi đã hạ gục hàng loạt tên tuổi như Arsenal, Real Madrid và Manchester United.
Trong trận CK Champions League thứ 2 với Man United, Messi lại khiến đội bóng đến từ nước Anh phải nhớ đến mình khi ghi bàn nâng tỷ số lên 2-1 với một cú sút xa quyết đoán ngoài vòng cấm.
Cũng ở mùa giải đó, Messi khiến cả thế giới bóng đá phải ngả mũ kính phục khi trở thành cầu thủ đầu tiên trong lịch sử Champions League ghi được năm bàn trong một trận đấu. Thành tích trên được M10 thiết lập ở trận thắng hủy diệt 7-1 của Barcelona trước Leverkusen.Bàn thắng thứ 50 của Messi ở Champions League được ghi trong trận đấu tứ kết giữa Barcelona và AC Milan vào 3/4/2012. Đây là lần xuất trận thứ 68 của siêu sao người Argentina ở đấu trường này.
7/11/2014, Messi lập một cú đúp vào lưới Ajax, qua đó cân bằng kỷ lục ghi 71 bàn ở Champions League của Raul.
Rạng sáng nay, với chiếc băng đội trưởng trên tay, Messi chính thức trở thành "ông vua ghi bàn" của bóng đá châu Âu sau cú hat-trick vào lưới CLB APOEL.
Năm nay Messi mới chỉ 27 tuổi và nếu cứ chơi với phong độ hủy diệt như vậy, khả năng anh có 100 bàn tại đấu trường danh giá nhất châu lục là điều hoàn toàn có thể xảy ra.