1905年，乙巳三十一年38岁时，同盟会成立，光复会并入，孙中山委任蔡元培为同盟会上海分会负责人。

1907年5月，丁未三十三年40岁时，他在驻德公使孙宝琦的帮助下前往德国柏林，入莱比锡大学听课和研究心理学、美学、哲学诸学科。

一面学习，一面教授唐绍仪(后任民国政府第一任内阁总理)4个侄子的中文教师，已近不惑之年的蔡元培开始了4年海外留学的生活。在德4年，他编著了《中国伦理学史》等一批学术书籍。

1911年11月上旬，宣统三年辛亥年，辛亥革命爆发，在陈其美去电催促下，蔡元培取道西伯利亚回国。

1912年1月4日，民国元年，中华民国临时政府在南京成立，他就任南京临时政府教育总长。

教育部在蔡元培之下对公众征求可能的国歌，后来颁布了中华民国临时国歌，由沈恩孚作词、沈彭年谱曲的国歌拟稿，歌名《五旗共和歌》(中华民国国歌)。

1912年1月19日，民国元年，他颁布了《普通教育暂行办法》，并主持制定了《大学令》和《中学令》，这是中国的第一个大学和中学校令，他强调要把中学和大学建造成健全国民的学校。

任南京临时政府教育总长，主张采用西方教育制度，废止祀孔读经，实行男女同校等改革措施，确立起中国资产阶级民主教育体制。二次革命失败后，携眷赴法，与李石曾等创办留法勤工俭学会。

1912年2月，鲁迅被他邀请到教育部任职。1912年7月，蔡元培因不愿与袁世凯政府合作而辞职。

1913年，民国二年蔡元培46岁时，再次赴法国从事学术研究，在留欧的三年时间里，又编撰了不少哲学美学著作。

1915年6月，民国四年，蔡元培48岁时，他与李石曾、吴玉章等发起组织华法教育会，在法国倡勤勤工俭学，希望以次组织帮助更多华人到欧洲求学，后来的周恩来、邓小平等均是通过这个组织的帮助后顺利在法国进行学习的。

1916年夏，黎元洪的北京政府终于明令恢复了民国初年的《临时约法》，孙中山、黄兴等一大批流亡海外的革命党人纷纷相约回国，一些浙江籍议员还发电给远在法国的蔡元培，说是要推选他当浙江省督军。

1916年11月8日，蔡元培与吴玉章一起乘船由马赛回国，抵达上海。1916年12月26日，受命担任北京大学校长。

支持新文化运动，提倡学术研究，主张“思想自由，兼容并包”，实行教授治校。“五四”运动中支持学生爱国行动，多方营救被捕学生。