刘天华的音乐创作成就，主要在民族器乐曲方面，共作有十首二胡曲：《病中吟》、《月夜》、《苦闷之讴》、《悲歌》、《空山鸟语》、《闲居吟》、《良宵》、《光明行》、《独弦操》、《烛影摇红》 三首琵琶曲：《歌舞引》、《改进操》、《虚籁》。 一首丝竹合奏曲《变体新水令》、编有四十七首二胡练习曲、十五首琵琶练习曲，还整理了崇明派传统琵琶曲十二首，其中他改编的《飞花点翠》于1928年由高亭唱片公司录制唱片，已成为琵琶经典乐曲。

1918年他在贫病中完成了二胡曲《病中吟》初稿，抒发了他对社会的不满和生活无出路的愤懑心情。其后，他创作的《苦闷之讴》（1926）、《悲歌》（1927）、《闲居吟》（1928）以及《独弦操》（又名《忧心曲》，1932）等二胡曲，以委婉动人的旋律，或忧伤压抑，或悲愤激越，表现了知识分子在黑暗社会中苦闷、徨，要求变革、挣扎、奋斗的心情。 二胡曲《良宵》（又名《除夜小唱》，1928）、《光明行》（1931）和琵琶曲《改进操》（1927），音乐清新明朗、乐观向上，表达了作者憧憬美好未来的喜悦心情。《光明行》运用了西洋音乐中大三和的弦琶音进行和转调手法；《改进操》吸收了古琴上绰、注手法与三度和音的旋律特点，显示了国乐改进的成果。此外，二胡曲《空山鸟语》（1918～1928）吸取民间单弦拉戏的模拟自然音响的手法，音乐活泼生动。《烛影摇红》则是运用三拍子和变奏曲式的结构原则写成的一首优美抒情的二胡曲。刘天华掌握了民族器乐的创作规律，又大胆地吸取西洋音乐的技法，使作品既具有中国传统的音调，又有新颖独特的表现特点，仍保持着很强的艺术生命力。 当刘天华逝世时，在纪念会上有人用这十大二胡名曲标题的首位字联成过一幅便于记忆又颇有意境的挽联：“良月苦独病，烛光悲空闲”。 在民国初年，刘天华见到中国音乐发展的垂危，因主张进行国乐改进。他反对完全以西乐来取代中国音乐，他认为西乐虽完善成熟，但不能削足适履的把它用在中国人的意识性格之间。同时，他认为身为一个中国音乐家，不仅要守住自身的传统，更要把中国音乐的好处发扬光大到世界。刘天华写有一篇未完成的文章《中西音乐的争执问题》，他在文中批评那些主张西乐一无可取以及完全轻视中国音乐的人，他认为对于中西音乐，应不能宥于片面之见，而要全面、平心静气地来讨论。他以音乐能否由作者“达意”、听者“感应”，因而能行之久远来评断中西音乐，而不以“古今”或“繁简”判断，由此看来，中西乐实应各有所长。虽然他对于中西乐同样有不错的评价，但他对于中国音乐仍有较深的喜爱，他曾力述国乐的优点，认为中国音乐声音纯正，为西乐所不及，此外，又认为中国人较能亲近自身的音乐，因此不能完全用西乐取代，这也是他提倡国乐要改革而不能完全以西方音乐取代中国音乐的重要原因。

他认为不论复古守旧或全盘西化，都是不行的，由于他能分别深地入了解中西乐的特长及优点，因此他主张“必须一方面采取本国固有精粹，一方面容纳外来潮流，从中西的调合与合作中打出一条新路来，然后才能说得进步两个字”。要“介绍西乐，以为改进中乐的辅助，并想效法西乐，配合复音，并参用西洋乐器”，再“从创造方面去求进步”。

1927年，刘天华在北京联合萧友梅、杨仲子等人，创立了国乐改进社， 以期开始国乐改进的工作，他在几篇文章中，对国乐改进提出了一些具体的计划，其内容包括探查及保存故有好的及将失传的乐曲、曲谱及乐器，并访问仍在之音乐大师。 其次，要改良记谱法、整理演奏法，编成有系统的书藉，对于乐器，则要组织乐器厂，研究改良乐器，以使国乐有良好的基础。再其次，介绍西乐为改进国乐之辅助，以创造新的艺术，再发行刊物及创设音乐学校以推广成果，再创设研究所以进一步研究创新中国音乐。 这样一个完整的计划，却由于当时的环境十分恶劣，正当军阀割据南北分裂之际，政府完全不重视音乐，因此经费极度缺乏，计划的推行十分不易，因此在这些计划之中，他提出了最重要而急于举办的，如对中国音乐尤其是将失传音乐如宫庭音乐、民间音乐等的保存及研究，还有刊行音乐杂志、办国乐教育及乐器的制造及改进等，这些工作的目的多在为创造其心目中新生国乐的准备等。此外，他还记录了民间音乐《安次县吵子会乐谱》、《佛曲谱》（未完成）等。刘天华的全部作品和生平资料，最先收进其兄刘复编纂的《刘天华先生纪念册》（1933），今已辑成《刘天华创作曲集》（万叶书店，1954；人民音乐出版社，1979年修订）。 刘天华认为音乐的重要目的，便是在表达人的感情以使听者感动，希望音乐能够普及于大众并提升水平，因此对音乐的推广及教育十分地重视。自十九岁起，刘天华即开始在中小学教授音乐。后前往北京，任教于北京大学音乐传习所及北京女子高等师范学院音乐系，后又在北京艺专教音乐，主授二胡、琵琶及小提琴等，他编写了南胡及琵琶的练习曲各一本，以使学生能按部就班学习；后来包括如蒋风之、陈振铎等二胡名家都是他的学生。 此外他曾计划国乐的义务教育，由国乐改进社的社员担任教师，以推广国乐的学习。其后又筹办暑期音乐学校，对于一般人民有兴趣习音乐者，亦不计代价教导。而改进社也不时举办音乐会以推广音乐。他并且演奏录制了二胡和琵琶的唱片二张，作为保存与推广国乐之用。