Ещё будучи футболистом, он работал тренером молодёжного состава в клубе «НЕК». Будучи большим поклонником тренерских методов Вила Курвера, 29-летний Рене поехал в Катар, где работал с Курвером и с молодёжной сборной Катара. Он входил в тренерский штаб сборной Катара по футболу для футболистов до 16 и до 17 лет. В 1999 году Мёленстен стал главным тренером катарского клуба «Аль-Этехад» (сейчас клуб называется «Аль-Гаррафа»). В 1999 году, когда «Манчестер Юнайтед» выиграл Лигу чемпионов, Мёленстен выиграл её ближневосточный эквивалент, Кубок арабских наций. В 2000 году он стал главным тренером другого катарского клуба, «Аль-Садд», с которым выиграл Кубок Эмира.
Мёленстен возражал против решений руководства «Аль-Садда» о приглашении ряда иностранных игроков и на фоне этого конфликта покинул клуб. Сэр Алекс Фергюсон, ранее уже проявлявший свой интерес в Мёленстене, и директор академии «Манчестер Юнайтед» Лес Кершоу пригласили голландского тренера в Англию. В 2001 году Мёленстен стал «тренером по развитию технических навыков» в «Манчестер Юнайтед», работая с молодыми игроками в возрасте от 9 лет до 21 года. В декабре 2005 года сэр Алекс Фергюсон повысил его в должности до главного тренера резервной команды «Манчестер Юнайтед», так как Рики Сбраджа покинул этот пост (Сбраджа стал тренером первой команды в «Болтон Уондерерс», где он работал с Сэмом Эллардайсом и Сэмми Ли). Мёленстен одновременно сохранил свой пост тренера «по развитию технических навыков».
В июне 2006 года он подписал трёхлетний контракт с датским клуб «Брондбю», в котором стал тренером первой команды. В этом же году он получил профессиональную тренерскую лицензию УЕФА. После полугода работы Мёленстена «Брондбю» занимал лишь 7-е место в чемпионате, отставая на 19 очков от лидирующего «Копенгагена». 5 января 2007 года из-за разногласий с руководством клуба Мёленстен покинул «Брондбю». После этого он вернулся в Манчестер.
18 января 2007 года Мёленстен вернулся в «Манчестер Юнайтед» на должность тренера по развитию технических навыков, в основном работая с первой командой. После переезда в июле 2008 года помощника главного тренера «Юнайтед» Карлуша Кейруша в Португалию на должность главного тренера национальной сборной, Мёленстен был назначен тренером первой команды, а Майк Фелан стал ассистентом главного тренера. Оба официально вступили в новые должности 13 августа 2008 года.