شاگرد خلف پدر
از طریق پدرش با وسایل صنعتی مثل، دوچرخه و موتور برق آشنا شد. در ۹ سالگی به تجریش نقل‌مکان کردند، کلاس سوم دبستان را در مدرسه شاهپور تجریش و دوره متوسطه را در دبیرستان‌های ایرانشهر و البرز گذراند. در ۱۲سالگی به کمک پدرش در خانه کارگاه کوچکی درست کرد. او به‌کارهای فنی و درس ریاضی علاقه بسیار داشت و به برادر و خواهران کوچک‌تر و دوستان و همسایه‌‌ها در حل مشکلات ریاضی کمک می‌کرد. به روایت نزدیکانش در مقابل بی‌عدالتی و کمک به نیازمندان حساس بود و همین روحیه و مداخله در کار بزرگ ترها، سبب بروز مشکلاتی برای وی در مدرسه می‌شد که اکثرا با مداخله پدرش حل می‌شد.
نظم و صرفه‌جویی از ویژگی‌های شخصیتی وی بود .ترک معلمی و ورود به صنعت، از سوی پدر رونق و رفاه زندگی را برای خانواده‌اش به ارمغان آورد، همین مساله علاقه محسن را به فعالیت صنعتی بیشتر کرد و این اندیشه را در وی تقویت کرد که صنعتی‌شدن سبب رفاه زندگی می‌شود. او با این فکر، وارد دانشکده فنی دانشگاه تهران شد (سال۱۳۲۸) تا در رشته مهندسی به ادامه تحصیل بپردازد. عشق به میهن و ارزش نهادن به اصول اخلاقی را در خانواده آموخت. وی به نقش مادرش در آموزش اخلاقیات تاکید بسیار داشت. از نوجوانی در مواقع سخت به استخاره از قرآن متوسل می‌شد. در آن دوره با وجود اینکه حزب توده به‌عنوان یک جریان مارکسیستی اکثر دانشجویان و طبقات تحصیلکرده را جذب شعارهای آرمان‌گرایانه خود می‌کرد، محسن به عضویت انجمن اسلامی درآمد.
نهضت ملی‌شدن نفت امیدهای فراوانی در دل وی برانگیخته و باعث شده‌بود که وی تا زمان فارغ‌التحصیلی (سال ۱۳۳۲) در خدمت اندیشه‌های ملی‌گرایانه باشد. ناکامی در جنبش ملی‌شدن صنعت نفت ضربه‌ای بر آرمان‌های وی بود و این سوال را در وی تقویت کرد که؛ اگر تحولات سیاسی نمی‌تواند یک کشور جهان‌سومی را توسعه دهد، پس از چه راهی می‌توان به این مقصود دست‌یافت؟ مدت‌ها با این اندیشه درگیر بود، تا اینکه سفر به کشورهای توسعه‌یافته راه‌حلی غیر‌سیاسی را در‌برابر چشمان وی گشود. او دریافت که با اکثریت فقیر و بی‌سواد نمی‌توان کشور را متحول کرد و به سعادت و رفاه رساند. او معتقد بود متوسط بارندگی در ایران، یک‌سوم استاندارد جهانی است و همین محدودیت آبی، توسعه کشاورزی را دچار مشکل می‌کند، از این‌رو برای نجات از فقر روستایی، صنعتی‌کردن کشاورزی ضروری است و راه اساسی برای پیشرفت ایران صنعتی‌کردن کشور است.
از نظر وی، صنعت، لکوموتیو توسعه اقتصادی است. پس از فارغ‌التحصیلی به‌همراه پدرش محمود خلیلی برای یک سفر مطالعاتی به اروپا و آمریکا رفت. همین سفر انگیزه محمود خلیلی برای تاسیس شرکت بوتان در سال۱۳۳۲ بود. نقش محسن خلیلی در چند سال‌اولیه برای پیشبرد برنامه‌های شرکت مثل فراهم‌کردن اولین تریلی برای انتقال گاز از پالایشگاه آبادان؛ با وجود جاده‌های نامناسب تهران – آبادان، درست‌کردن مکان‌های ذخیره گاز در تهران، انتقال گاز با سیلندر با وجود فقدان هرگونه تجربه، پیشگامی در تاسیس شرکت‌های گازی در ایران و گام گذاشتن در مسیرهای ناشناخته دارای اهمیت بسیار بود. در این راه تعدادی از همکلاسی‌های خلیلی در دانشکده فنی مثل عباس چمران و مهندس غفاری با وی همکاری داشتند. با فارغ‌التحصیلی برادران وی از دانشگاه‌های آمریکا و ورود آنها از سال۱۳۳۶ به شرکت بوتان، این شرکت توسعه بیشتری یافت. کاربرد گاز مایع در زمینه‌های گرمایشی، وسایل خوراک‌پزی در آشپزخانه، روشنایی و وسایل حمل‌ونقل ضرورت‌های تازه‌ای را پیش‌روی شرکت بوتان قرار داد.
ورود به تولید محصولات مختلف صنعتی مثل سلیندر گاز در ابعاد مختلف، آبگرمکن، لوازم گازی برای آشپزخانه مثل اجاق‌های یک تا چهار شعله با فر و... تنها بخشی از اقدامات شرکت بوتان برای پاسخگویی به نیازهای گسترده مردم ایران بود. پاسخگویی به این نیازها ضرورت‌های تازه‌ای را به‌وجود می‌آورد. گسترش نیروی کار، توجه به تربیت نیرو و آموزش فنی نیازمند ظرفیت‌سازی در زمینه‌های گوناگون مالی، انسانی و فنی در داخل شرکت بود؛ به‌گونه‌ای که شرکت بوتان در آغاز دهه‌پنجاه توانست بستر لازم را برای صادرات محصولاتش فراهم کند.
گسترش تقاضای داخلی (بر اثر افزایش قیمت نفت در این دهه) اولویت فروش در بازار داخلی و بی‌نیازی دولت به ارز (بــه علت درآمدهای بالای نفتی) اهمیت صادرات را برای شرکت‌ها در اولویت قرار نداد. وقوع انقلاب، جنگ و تحریم اقتصادی فعالیت آنها را دچار اختلال اساسی کرد. نقش گروه بوتان در گسترش مصرف گاز مایع زمینه تاسیس موسسات دیگری مثل شرکت ایران‌گاز، پرسی‌گاز و ارساگاز را فراهم کرد. سرانجام در اول خرداد۱۳۴۷ سندیکای شرکت‌های توزیع گاز مایع تاسیس شد. تاسیس این شرکت‌ها، زمینه را برای شکل‌گیری شرکت ملی گاز ایران فراهم کرد (سال۱۳۴۸) و به‌تدریج، تعداد شرکت‌ها افزایش یافت و در بهمن۱۳۵۲ به ۲۱ شرکت رسید. فعالیت آنان، مصرف‌کنندگان بیشتری را تحت‌پوشش قرار داد. در سال۱۳۵۵ برای اولین‌بار، انتقال گاز مایع پالایشگاه از طریق راه‌آهن مورد‌توجه سندیکای توزیع‌کنندگان قرارگرفت. به‌دنبال آن، هشت دستگاه واگن مخزن‌دار فرانسوی به شرکت بوتان و هفت دستگاه به ایران گاز اختصاص یافت. مدیریت شرکت تا تیرماه ۱۳۵۳ با محمود خلیلی بود. از آنجا که وی در سال‌های آخر عمرش بیمار بود، نقش محسن خلیلی پررنگ‌تر می‌شد. این شرکت روند صعودی خود را تا بهمن ۱۳۵۷ حفظ کرد. طی چهار سال‌شرکت‌های راف (سال ۱۳۵۳)، پیوند (۱۳۵۴)، کولرگازی ایران و مرکز آموزش بوتان (۱۳۵۵) و رگولاتورسازی (۱۳۵۶) تاسیس و به مجموعه بوتان اضافه شدند.
