Dès 1953, il commence ses recherches sur les formes en métal et la fabrication artisanale de luminaires, tout en assurant la direction de l’atelier d’orfèvrerie de l’École des arts appliqués, dont il est diplômé. En 1955, il est élu à la Société des artistes décorateurs (SAD).

L’année suivante, Steph Simon ouvre une galerie de design au 145 boulevard Saint-Germain. Sous l’influence de Charlotte Perriand et de Jean Prouvé, la galerie accueille les travaux de Serge Mouille, ainsi que ceux d’Isamu Noguchi et de Jean Luce. Ainsi s’amorce une diffusion discrète de ses luminaires. La société Sinma dirigée par Jacques et Jeanne Veyrat-Masson diffuse ses créations. Des commandes spéciales lui sont passées : réfectoires et espaces verts de la Cité universitaire d’Antony, universités de Strasbourg et d’Aix-Marseille, Centre d’essais en vol de Brétigny-sur-Orge, luminaires du paquebot transatlantique « France ».

Atteint depuis longtemps de tuberculose, Serge Mouille est forcé de suspendre ses activités de designer en 1959 et de suivre une cure en montagne.

En 1961, grâce à la Société de création des modèles (SCM), il peut exposer, au Salon des arts ménagers, une nouvelle collection de luminaires combinant fluorescence et incandescence. Sa production s’arrête définitivement en 1964.

Serge Mouille reste surtout célèbre pour ses luminaires aux formes dépouillées, au métal uniformément peint en noir. Ses réflecteurs muraux, articulés sur des bras pivotants de portées diverses, illustrent l’espace d’une présence discrète mais hautement fonctionnelle.