Zdobycie tytułu Zdobył pierwszy tytuł mistrza świata w 1964, w wieku 22 lat, pokonując ówczesnego mistrza, Sonny’ego Listona. Mimo iż faworytem był Liston (Cassiusa Claya uważano głównie za mocnego w słowach), poddał się już w siódmej rundzie. Po zakończeniu walki Cassius Clay biegał po ringu, krzycząc do mikrofonów „I shook up the world” (pol. Wstrząsnąłem światem) oraz „I am the greatest” (pol. Jestem największy). Zdjęcia z walki obiegły cały świat.
mały|Naród Islamu, 1964 Po walce przystąpił oficjalnie do Nation of Islam, radykalnej organizacji czarnoskórych Amerykanów, wyznających islam, prowadzonych przez Malcolma X oraz Ellijaha Muhammada. Zrezygnował z nazwiska Cassius Clay – początkowo nazwał się Cassius X. Po tym, jak Ellijah Muhammad przezwał go „Ali”, przyjął nazwisko Muhammad Ali.
W rewanżu, rozegranym w maju 1965, Liston ponownie przegrał z Alim, tym razem znokautowany już w połowie pierwszej rundy. Szybki cios, który powalił Listona, pozostał niezauważony, nie tylko przez Listona, ale również przez sędziego i publiczność, dając podstawy podejrzeniom o manipulację. Choć w powtórkach telewizyjnych widać cios Alego, nokaut ten pozostaje kontrowersyjny do dziś.