Theo nhà nghiên cứu âm nhạc Đào Ngọc Dung, bài hát này có "hai điểm khác lạ", trong đó điểm khác lạ đầu tiên là Hoàng Vân đã chọn hình ảnh tu hú kêu thay vì ve sầu, vốn là biểu tượng mà các bài hát thiếu nhi Việt Nam về mùa hè luôn hướng đến. Điểm khác lạ thứ hai là ông đã tạo nên giai điệu từ một giọng điệu khác lạ: Đô trưởng nhưng thiếu bậc II (rê), trong khi đó âm VII (si) lại giáng. Đây là thủ pháp về giọng điệu của thế hệ các nhà soạn nhạc thuộc trào lưu âm nhạc lãng mạn phương Tây, mà Hoàng Vân được xem là người đầu tiên tại Việt Nam áp dụng vào ca khúc thiếu nhi.[5]

Hoàng Vân đã cố tình không dùng âm rê trong hết cả bài, 2 âm si giáng xuất hiện liên tục ở 2 âm đầu nhịp có chữ "chín" và "trong" cũng tạo nên một "hiệu quả hòa âm khác lạ". Vì có âm si giáng nên hòa âm đã có xu hướng nghiêng về hợp âm Đô 7. Kết đoạn, kết bài Hoàng Vân không đưa về âm chủ là nốt đô mà lại về âm III (mi). Dù trong nhiều bài hát, tác giả thường kết ở âm III nhưng ở "Mùa hoa phượng nở", âm III được nhắc đi nhắc lại, nhấn mạnh liên tiếp khiến cho người nghe có cảm giác âm mi này đã là âm I của hợp âm Mi giảm.[5]

Về kết cấu bài hát, "Mùa hoa phượng nở" có tiết nhạc đủ ca và lời, nhưng có tiết lại kết hợp cả lời ca và nhạc không lời. Thông thường, một bài hát có 3 câu thì câu 3 được nhắc lại câu 2 để về kết, nhưng trong bài hát này thì câu 2 nhắc lại câu 1, còn câu 3 mang kết cấu mới.[5]