ท่านได้บรรพชาเมื่อวันที่ 5 มิถุนายน พ.ศ. 2487 ตรงกับวันขึ้น 15 ค่ำ เดือน 7 ปีวอก อายุ 19 ปี ณ อุโบสถวัดเหนือ อ.เมือง จ. ร้อยเอ็ด ดยมีท่านเจ้าคุณ พระโพธิญาณมุนีเจ้าคณะจังหวัดร้อยเอ็ด ธรรมยุตเป็นพระอุปัชฌาย์ ท่านได้ ถวายตัวเป็นลูกศิษย์หลวงปู่มั่น ภูริทตฺโต เมื่อปลายปี พ.ศ. 2487 ที่ วัดป่าบ้านหนองผือ ตำบลนาใน อ.พรรณานิคม จ.สกลนคร

ท่านได้ทำการอุปสมบท ณ พัทธสีมาวัดศรีโพนเมือง จ.สกลนคร เมื่อวันที่ 23 มิถุนายน พ.ศ. 2489 โดยมีพระธรรมเจดีย์ (จูม พนฺธุโล) เป็นพระอุปัชฌาย์ หลวงปู่ฝั้น อาจาโร เป็นกรรมวาจาจารย์ หลวงปู่กงมา จิรปุญฺโญ เป็นพระอนุสาวนาจารย์ ครูบาอาจารย์ที่กล่าวมาทั้งหมดล้วนแต่เป็นลูกศิษย์ของ หลวงปู่มั่นทั้งสิ้น โดยเฉพาะพระธรรมเจดีย์นั้นเป็นพระอุปัชฌาย์ ของหลวงปู่ฝั้น อาจาโรอีกด้วย ดังนั้นจึงกล่าวได้ว่า หลวงปู่สมชาย ฐิตวิริโย เป็นทั้งลูกศิษย์ หลานศิษย์และเหลนศิษย์ของหลวงปู่มั่น ภายหลังจากได้อุปสมบทเป็นพระภิกษุแล้ว หลังจากประพฤติปฏิบัติธรรม จนเกิดซาบซึ้งในพระศาสนาพอสมควรแล้ว ท่านได้นำเอาธรรมะไปอบรมสั่ง สอนประชาชนในท้องถิ่นเดิมของท่าน ปัจจุบันหันมานับถือพุทธศาสนาจนหมดสิ้น