Useiden urkuteosten lisäksi hänen keskeiseen tuotantoonsa kuuluvat noin kaksituntinen pianosarja Kaksikymmentä katsahdusta Jeesus-lapseen (Vingt regards sur l'Enfant-Jésus) (1944), 10-osainen Turangalîla (1948), sinfonia ondes Martenot’lle, pianolle, orkesterille ja eksoottisille lyömäsoittimille, 14-osainen La Transfiguration de Notre-Seigneur Jésus-Christ (1969) kuorolle, soolosoittimille, orkesterille ja laajalle lyömäsoitinryhmälle, 12-osainen Kanjoneista tähtiin (Des canyons aux étoiles..., 1974) orkesterille ja soolosoittimille sekä ooppera Franciscus Assisilainen (Saint François d'Assise, 1983).
Messiaenin musiikin perusta on syvä katolinenmystiikka, ja hänen teoksensa tuovat julki tämän individualistis-uskonnollisen näkemyksen. Toisin kuin useimpien länsimaisten säveltäjien tuotanto Messiaenin musiikki ei perustu dynaamiseen kehittymisen ideaan: esimerkiksi sonaattimuotoa Messiaen ei käyttänyt lainkaan. Musiikki on suhteellisen helposti messiaenilaiseksi tunnistettavaa, paikallaan pysyvää, modaalista, äänenväriin ja rytmiikkaan perustuvaa, ja rakentuu monenlaisesta epätavallisesta materiaalista: kaikkea gregoriaanisesta laulusta ja itämaisesta modaliteetista ja rytmistä sarjallisuuteen, elektronimusiikkiin ja lintujen lauluun (josta hän kirjoitti tutkielman ja pitkän pianosarjan "Catalogue d'oiseaux"). Ominaista on ennen kaikkea hienostunut, monimutkainen ja tarkka rytmiikka ja hyvin kehittynyt äänenvärin käyttö.
Kaikkien aikojen ensimmäinen kokonaan sarjallinen sävellys on Modes de valeurs et d'intensités vuodelta 1949. Messiaen käytti joissakin teoksissaan myös vuonna 1928 keksittyä sähköistä ondes Martenot -soitinta.
Messiaen kirjoitti paljon säveltämistyönsä teoriasta ja tekniikasta.
Modaalisen musiikin uusi tuleminen
Tonaalinen musiikki (pääasiassa 1700- ja 1800-luvun musiikki) erotuksena aiemmasta modaalisesta ja uudemmasta atonaalisesta musiikista kirjoitettiin kiinteään viitekehykseen, jota sanottiin sävellajiksi. Sävellajeja on vain kaksi, duuri ja molli, jotka voidaan transponoida eri sävelaloihin.
Vaikka Messiaen luonnehtikin käsitteitä tonaalinen, modaalinen, sarjallinen jne. harhaanjohtaviksi analyyttisiksi mukavuuksiksi, hän loi sävellysten viitekehykseksi määrältään rajoitettujen transpoosien modaliteetin. Tämän perustana oli kahdentoista sävelen kromaattinensävelasteikko: C, Cis, D, Dis, E, F, Fis, G, Gis, A, Ais, H, C, mutta kysymys ei kuitenkaan ollut dodekafoniasta. Messiaenin ensimmäinen moodi on kokosävelasteikko: C, D, E, Fis, Gis, Ais, C. Kun tämä transponoidaan (puolisävelaskeleen verran ylemmäs tai alemmas), saadaan toinen kokosävelasteikko Cis, Dis, F, G, A, H, Cis, ja kun tämä transponoidaan edelleen, saadaan sama asteikko josta lähdettiin. Transpoosien määrä on kaksi. Toisen moodin kaava on neljä kertaa (puoliaskel, kokoaskel), kuten C, Cis, Dis, E, Fis, G, A, Ais, C. Tämä asteikko, joka tunnetaan myös oktatonisena asteikkona, voidaan transponoida puoliaskelin kahdesti joko ylöspäin tai alaspäin päätymättä samaan asteikkoon. Transpoosien määrä on kolme. Kolmannen moodin kaava on kolme kertaa (kokoaskel, puoliaskel, puoliaskel) kuten: C, D, Dis, E, Fis, G, Gis, Ais, H, C. Moodeja voidaan generoida aina seitsemänteen saakka, mutta kiintoisampia ovat toinen ja kolmas moodi.
Messiaen oppi käsittelemään moodejaan sekä melodisesti että harmonisesti. Kysymys on atonaalisesta musiikista, sillä mitään säveltä ei voida käsitellä perussävelenä.
Teoksia
1917 La dame de Shalott – piano
1921 Deux ballades de Villon – laulu ja piano
1925 La tristesse d'un grand ciel blanc – piano
1927 Esquisse modale – urut
1928 Fugue en ré mineur – orkesteri
1928 L'hôte aimable des âmes – urut
1928 La banquet eucharistique – orkesteri
1928 Le banquet céleste – orkesteri
1928 Variations écossaises – orkesteri
1928–29 Préludes – 8 kappaletta pianolle
1930 Diptyque – urut
1930 La mort du nombre – sopraano, tenori, viulu, piano
1930 Les Offrandes oubliées – orkesteri
1930 Les Offrandes oubliées – pianoversio
1930/35 Offrande au Saint Sacrement – urut
1930 Simple chant d'une âme – orkesteri
1930 Trois mélodies – laulu ja piano
1931 Le Tombeau resplendissant – orkesteri
1932 Apparition de l'Église éternelle – urut
1932 Fantaisie Burlesque – piano
1932 Hymne au Saint Sacrament – orkesteri
1932 Thème et variations – laulu ja piano
1932–33 L'Ascension – orkesteri
1933 Fantaisie – viulu ja piano
1933 Messe – 8 sopraanoa ja 4 viulua
1933–34 L'Ascension – urut
1934 5 Leçons de Solfège è chanter – laulu ja piano
1934 Morceau – piano
1935 La Nativité du Seigneur – urut
1935 Pièce pour le tombeau de Paul Dukas – piano
1935 Vocalise – laulu ja piano
1936 Poèmes pour Mi – sopraano ja piano
1937 O sacrum convivium – laulukvartetti/sopraano ja urut
1937 Poèmes pour Mi – sopraano ja orkesteri
1937 Fêtes des Belles Eaux – ondes Martenot't
1938 Chants de terre et de ciel – laulu ja piano
1938 Deux monodies en quarts de ton – ondes Martenot't
1939 Les Corps glorieux – urut
1940–41 Quatuor pour la fin du temps – viulu, klarinetti, sello, piano
1941 Choeurs pour une Jeanne d'Arc – kuoro
1942 Musique de scène pour un Oedipe – elektroniikka
1943 Rondeau – piano
1943 Visions de l'Amen – 2 pianoa
1943–44 Trois Petites liturgies de la présence divine – kuoro, solistit, orkesteri
Dingle, Christopher – Fallon, Robert (toim.): Messian Perspectives 1: Sources and Influences. Farnham: Ashgate, 2013. ISBN 978-1-4094-2695-0
Dingle, Christopher – Fallon, Robert (toim.): Messian Perspectives 2: Techniques, Influence and Reception. Farnham: Ashgate, 2013. ISBN 978-1-4094-2696-7
Isopuro, Jukka (päätoim.): Sävelten maailma 3, s. 296–303. Helsinki: WSOY, 1992. ISBN 951-0-15766-X