Se mudó a Potiers, Francia con 9 años, donde estudió violín, violonchelo y piano.
Estudió contrapunto y fuga con César Franck quien le animó a seguir componiendo desde 1889 hasta la muerte de éste un año después.
Empezó entonces a estudiar fuga y orquestación con Vincent d’Indy, quien le mandó competir por el Gran Premio de Roma Belga en 1891 donde quedó segundo con la cantata Andròmede.
Eugène Ysaÿe quedó tan impactado al escuchar fragmentos de dicha obra en un concierto en Bruselas que le encargó uno de sus trabajos más famosos, la Sonata para violín que Lekeu compone en 1892.
Una de sus obras más conocidas, la Sonata para violín y piano ha sido identificada por algunos especialistas como la obra homónima que Marcel Proust atribuye al músico imaginario, Vinteuil, en su novela En busca del tiempo perdido.