Lê Mộng Nguyên tự học nhạc từ khi còn nhỏ, học đánh đàn mandoline với một người bạn học cùng lớp, sau đó có học guitar và violon. Ông sáng tác ca khúc đầu tay Xuân tươi vào năm 15 tuổi ký tên Lan Đào. Bài nhạc Mừng Khánh Đản đã được Thượng tọa Minh Châu nhờ Lê Mộng Nguyên sáng tác vào năm 1948 nhân dịp khánh thành Chùa Từ Đàm.

Nhạc phẩm nổi tiếng nhất của Lê Mộng Nguyên Trăng mờ bên suối được viết ngày 13 tháng 11, năm 1949 khi ông mới 19 tuổi. Trăng mờ bên suối nói lên nỗi lòng của tác giả khi nhớ người yêu, nhớ sông Hương núi Ngự trước khi lên đường sang Pháp du học vào năm 1950. Trong một bức thư trả lời một người bạn, Lê Mộng Nguyên viết: "Bài trăng mờ bên suối viết ngày 13 tháng 11 năm 1949 (tôi còn giữ bản thảo), một buổi chiều không mưa ở nhà một mình tôi ở Huế (đường Gia Long), với cây lục huyền cầm Y Pha nho, vừa nhạc vừa lời song song với nhau, rất mau lẹ (từ 20 đến 30 phút là xong), trong một cuốn vở có phân ly (papier millimétré) đầy ký chú những bài học Lý Hóa ở trường Khải Định". Lời hát của Trăng mờ bên suối cổ điển và sang trọng, khá giống với Suối mơ của Văn Cao:

Người hẹn cùng ta đến bên bờ suốiRừng chiều mờ sương ánh trăng mờ chiếuMột đêm thiết tha rồi đây xa cáchRồi đây hai ngả biết tới phương nào...Suối mơ... lời hẹn ước ven bờ suối xưaNhớ chăng... người phương xa trong khói điêu tànSuối ơi... vờn theo bóng trăng vàng ngày xanhNào những lúc trên thuyền say sưaNhìn trăng vừa lên, ai hay chia lìaSương khói biên thùy hiu hắt người đi xa trường sa...

Tuy được viết vào cuối năm 1949, nhưng Trăng mờ bên suối được xem như một ca khúc tiền chiến và đã trở thành bất hủ của tân nhạc Việt Nam. Nhạc sĩ, ca sĩ Thu Hồ là người hát Trăng mờ bên suối đầu tiên trên đài phát thanh Pháp Á năm 1949.

Lê Mộng Nguyên cũng là nhạc sĩ Việt Nam đầu tiên sáng tác về Huế, miền Trung, ca tụng nơi ông đã sinh ra và lớn lên. Ngoài những nhạc phẩm có tính cách tranh đấu như Vó ngựa giang hồ (1949), hay Mùa lúa mới và Trường ca Quân tiến, từ thời thiếu niên Lê Mộng Nguyên đã sáng tác nhiều ca khúc lãng mạn "để tiếp theo hứng cảm của các tác giả mà ông yêu chuộng như Văn Cao, Đặng Thế Phong..."[2]. Từ ngày sang Pháp học, ông viết các bản nhạc nói lên nỗi nhớ quê hương như Xuân tha hương, Lá thư cho mẹ, Trời Âu... Lê Mộng Nguyên cũng viết bản Bụi đời, Người đã trở về cho bộ phim Bụi đời do anh trai ông là Lê Mộng Hoàng đạo diễn năm 1957.

Khoảng 1990, tại Việt Nam, một tuyển tập nhạc Phật giáo gồm 25 bài do Lê Mộng Nguyên viết trước năm 20 tuổi đã được Giáo hội Phật giáo Việt Nam xuất bản.