Ông sinh năm 1922, từng mang các tên Đoàn Xuân Tín, giáo sư Lê Ngọc và sau cùng là Lê Trọng Nghĩa. Trong đó Lê Trọng là tên của người thầy giáo đầu tiên của ông, còn Nghĩa với ý là khởi nghĩa. Ông xuất thân là một sinh viên khoa Luật, thông thạo nhiều thứ tiếng
Ngày 10 tháng 3 năm 1945 được giao trách nhiệm bảo vệ "thượng cấp" Trần Đăng Ninh trèo tường vượt ngục Hỏa Lò. Ngay sau đó được ông Lê Đức Thọ giao nhiệm vụ cùng ông Vũ Quý sang Dân chủ Đảng (và từng là ủy viên TW của Đảng này) nắm lực lượng trí thức, sinh viên.
Ngày 19 tháng 8 năm 1945, ông là Ủy viên Ủy ban Khởi nghĩa Hà Nội khi mới 23 tuổi, đóng vai trò lớn trong Tổng khởi nghĩa Hà Nội. Theo ông Nguyễn Minh Cần, cựu Uỷ viên Thường vụ Thành uỷ Hà Nội, ông Nghĩa lúc bấy giờ thay mặt cho Việt Minh đã thảo luận 5 lần với chính phủ Trần Trọng Kim.[5] Ông cũng tiếp xúc với đại diện Tướng Tsuchihashi Yuitsu (1891 – 1975) Tổng tư lệnh quân đoàn 38 phòng thủ Đông Dương để tranh thủ sự ủng hộ ngầm của quân đội Nhật do đó Nhật không đàn áp Việt Minh. Nhờ sự can thiệp của những nhân vật từng tiếp xúc với ông Lê Trọng Nghĩa là ông chủ tịch Hội Hữu nghị Nhật – Việt và nhân viên tình báo Lý Hán Tân, Nhật cho phép Việt Nam Giải phóng quân được vào Hà Nội giúp Việt Minh giành chính quyền khai sinh ra nước Việt Nam Dân chủ Cộng hòa.[6]
Ngày 20 tháng 8 năm 1945, ông là Ủy viên Ủy ban Nhân dân cách mạng lâm thời Trung ương.
Năm 1950, ông là Đại tá, Cục trưởng Cục Quân báo khi mới 28 tuổi và trở thành trợ tá đắc lực của Đại tướngVõ Nguyên Giáp, nhất là trong trận Điện Biên Phủ.[7]
Năm 1954, trong Sở chỉ huy mặt trận Điện Biên Phủ, ông phụ trách Quân báo khi mới 32 tuổi[8]
Năm 1962 đến năm 1967, ông là trợ tá thân cận cho tướng Võ Nguyên Giáp.
Tháng 2/1968, ông bị an ninh bắt vì cho là có liên quan đến "nhóm Xét lại", tuy không được xét xử theo pháp luật nhưng vẫn bị giam và cải tạo lao động từ năm 1968 đến 1976.
