李镇源追随杜聪明从事药理学研究的启蒙时期，曾以“苦参子治疗下痢”的药理研究，而发现到苦参子中的糖甘类可以杀死阿米巴原虫，因而揭开了几千年来中药苦参子治疗痢疾的谜。1945年，李镇源发表了《锁链蛇蛇毒的毒物学研究》这篇论文，是世界医学界第一篇解开锁链蛇蛇毒致死原因的论文，由于这项优异的研究成果，使他获得了台北帝大医学博士的学位，也开启了他往后将近半世纪与蛇毒研究为伍的岁月。 　　1952年，李镇源获得美援会的赞助，前往美国宾州大学（University of Pennsylvania）医学院深造，这是他第一次出国留学。李镇源本来想学习血液循环的研究方法，但是因为期限太短，只有一年，他的指导老师史密特（Carl F. Schmidt）建议他改研究肺循环（pulmonary circulation）的相关机制。结束宾大的研究后，李镇源转往位在底特律的韦恩州立大学（Wayne StateUniversity），到医学院生理学科的西格斯（Walter H. Segeers）教授实验室访问两个月，也发表了一篇小论文。

 　　李镇源回到台湾以后，由于他的启蒙恩师杜聪明辞职离开台大，李因此开始真正全权担负起台大药理学研究室的领导工作。越战期间，由于美军在越南沼泽森林中经常会碰到毒蛇，美国陆军研究发展部便特别委托李镇源，专门针对沟牙科蛇毒进行研究。1963年，李镇源和化学背景的张传炯合作，首度分离出雨伞节蛇毒中致死的两种神经毒素，而揭开了过去医界无法理解的蛇毒神经毒素的作用机制，使神经生物学获得重大突破。他们的发现可谓由过去的“未知其然”，跃进到“知其所以然”，因此，该研究成果引起了全世界药理学界的震撼。

 　　李镇源历年来发表的论文达百余篇，不仅领导台湾药理学研究，也是国际知名的蛇毒研究权威。1970年，他获选为中央研究院生物组的院士。1972年起，他开始担任台大医学院的院长一职。1976年，他荣获“国际毒素学会”颁发的最高荣誉“雷迪（Redi）”奖。1979年，李镇源应德国Springer出版社编辑委员会的邀请，主编一本多达一千多页的《实验药理学－蛇毒》专书（见Lee 1979），奠定其在蛇毒研究的国际地位。11985年，他更被选为“国际毒素学会”会长，成为台湾学者出掌国际学术界领导地位的少数案例之一。

 　　事实上，台湾的蛇毒研究是享誉国际的基础科学研究，而将台湾“蛇毒研究”推到世界舞台的，正是李镇源。诺贝尔奖得主李远哲在《台湾蛇毒传奇》这本书的序中这样写道：“他曾经问过诺贝尔得主生命科学家古德斯坦（Joseph L. Goldstein）：‘在台湾生命科学里，有哪一位的研究是被世界公认的？’古德斯坦毫不犹豫地回答：‘李镇源是被国际公认的’”。