V roku 1981 Mustaine rozpustil skupinu Panic a pridal sa k Metallice ako hlavný gitarista. Bubeník skupiny Metallica Lars Ulrich zverejnil inzerát v miestnych novinách a hľadal hlavného gitaristu. Podľa vlastných slov si Mustaine spomína na svoje prvé stretnutie s Jamesom Hetfieldom a Ulrichom:
„Bol som v miestnosti, kde som sa zahrieval, vyšiel som von a spýtal som sa: ‚No, idem na konkurz alebo čo?‘, a oni povedali: ‚Nie, si prijatý.‘ Nemohol som uveriť, aké ľahké to bolo a navrhol som, aby sme si dali pivo na oslavu.„
Metallica začala nahrávať svoj prvý album s názvom Kill ‚Em All v roku 1983, ale Mustaineovo pôsobenie v Metallice malo krátke trvanie. Brian Slagel , majiteľ Metal Blade Records , si v rozhovore zaspomínal:
„Dave bol neuveriteľne talentovaný chlapík, ale mal tiež neuveriteľne veľký problém s alkoholom a drogami. Stratil sa a stal sa z neho skutočný blázon, zúrivý megaloman a ostatní chalani sa s tým po chvíli jednoducho nedokázali vyrovnať. Všetci samozrejme pili, ale videli, že Dave začínal pil oveľa viac. Dave bol celý čas opitý.„
Pri jednej príležitosti Mustaine priviedol svojho psa na skúšku; pes vyskočil na auto basgitaristu skupiny Metallica Rona McGovneyho a poškriabal lak. Hetfield údajne kričal na Mustainovho psa a kopal ho v návale zúrivosti, čo vyprovokovalo Mustaina k fyzickému útoku na Hetfielda. Mustaine bol prepustený po hádke, ale nasledujúci deň Mustaine požiadal, aby mohol byť späť v skupine a bolo mu vyhovené. Ďalší incident sa stal, keď Mustaine, ktorý pil, vylial plechovku piva do snímačov basy McGovneyho, čo malo za následok elektrické poškodenie. McGovney tvrdil, že nevedel o škode a že po zapojení do zosilňovača dostal elektrický šok.
11. apríla 1983, po tom, čo Metallica odišla do New Yorku nahrať svoj debutový album, bol Mustaine oficiálne vylúčený zo skupiny kvôli jeho alkoholizmu, zneužívaniu drog , príliš agresívnemu správaniu a osobným stretom so zakladajúcimi členmi Hetfieldom a Ulrichom. Skupina zbalila Mustainovu výstroj, odviezla ho na autobusovú stanicu Port Authority a posadila ho do autobusu smerujúceho do Los Angeles. Počas tejto cesty autobusom Mustaine načmáral niekoľko lyrických nápadov na zadnú stranu bankovky , z ktorej sa neskôr stala pieseň „ Set the World Afire “ z albumu Megadeth z roku 1988 So Far, So Good… So What!
