蔡元培在北大还积极提倡社团活动。在他的领导和帮助下，北京大学创办了新闻学研究会、化学研究会、哲学研究会、进德会、新潮杂志社、国民杂志社、平民教育演讲团等各种学会、研究会以及体育会、音乐会等数十个社团，在引导学生把精力和兴趣投入到研究学问和正当娱乐方面起了积极的作用。全校学术讨论、思想辩论蔚然成风，呈现出一派生机勃勃的景象。蔡元培对北大学制和学校领导体制也进行了改革，实行民主办校、教授治校。通过这一系列的整顿和改革，使北京大学面貌焕然一新，变成了一个具有西方资产阶级教育制度和教学内容、民主和科学思想占优势的新型大学。它不仅为当代中国大学教育树立了楷模，而且促进了知识界人士思想的转变。
蔡元培回国任北京大学校长时，新文化运动已经发端。他就任校长后，新派人物一一被罗致进来，他也因此成为新文化运动的有力支持者和保护者。蔡元培反对尊孔，支持白话文运动，反对文言文。他大力提倡“以美育代宗教”，积极宣传科学思想，热心赞助科学事业；提倡科学与民主的新思想，反对封建主义的旧思想。1918年11月，蔡元培发表了《劳工神圣》这篇著名的演说，鲜明地表现了他同情和支持劳动群众，反对军阀官僚统治的进步政治倾向。“劳工神圣”在五四时期及以后，成为流行一时的口号，发生了广泛的影响。
北京大学经过蔡元培的锐意整顿，迅速地成为新文化运动的中心。封建顽固分子的压迫和攻击也随之而来。以清室遗老自居的林纾指责蔡元培在北大的改革“覆孔孟，铲伦常”，“尽废古书，行用土语为文字”①①引自彭明主编的《中国现代史资料选辑第一、二册补编》第4页，中国人民大学出版社1991年出版。，并先后发表了文言小说《荆生》、《妖梦》，对蔡元培及其领导的北京大学进行恶毒的攻击。此外，辜鸿铭，刘师培、黄侃、梁漱溟等也反对白话文，宣扬文言文和孔学。针对林纾的指责，蔡元培虽没有正面驳斥对方，但他强调“仿世界各大学通例，循思想自由原则，取兼容并包主义”，这对于捍卫新文化运动起了相当的作用。
1919年5月，以北洋政府在巴黎和会的失败为导火线，爆发了反对日本侵略和卖国贼的五四爱国运动。5月2日，蔡元培首先获悉北京政府国务院发出密电，命令中国代表在丧权辱国的巴黎和约上签字。他当即将此消息告诉了北大学生代表。3日晚，一千多名北大学生举行大会，决定于次日齐集天安门举行学界大示威。这次大会事先得到蔡元培的赞同。会后，蔡元培又召集学生代表谈话，对学生的爱国活动给予鼓励。
5月4日，北京各校学生三千余人举行示威游行。蔡元培拒绝了教育部要他召回学生的要求，说：“学生爱国运动，我不忍制止。”当日，北洋政府出动大批军警，逮捕了许多学生。蔡元培得知消息后，积极进行营救。为了保出学生，他表示“愿以一人抵罪”。经多方奔走，被捕学生终被释放。然而北洋军阀政府对学生仍然采取镇压的态度，学生则继续罢课斗争。蔡元培既反对政府镇压学生，又不赞成学生罢课。北洋政府则将这次学生运动归罪于蔡元培身上。5月10日，蔡元培悄然辞职出京。他的出走，使同学们大为震惊，爱国运动又增加了一个“挽留蔡校长”的斗争内容。北洋政府迫于压力，表示挽留蔡元培。7月9日，蔡元培鉴于校内外各方面的敦促，同时北洋政府已经让步，五四爱国运动开始提出的惩办曹汝霖、陆宗舆、章宗祥和拒签和约的斗争目标也已取得胜利，遂致电表示放弃辞职。23日，他发表了《告北京大学学生暨全国学生书》，进一步闸述了他的教育救国、科学救国的思想，劝告学生停止罢课，“力学报国”。9月，他返回北大，受到了师生的热烈欢迎，“盛况为前所未有”。
五四运动后，蔡元培对北洋军阀的统治越来越不满。1920年4月，他在《新青年》杂志上发表了《洪水与猛兽》一文，把新思潮比作洪水，把军阀比作吃人的野兽，认为对待新思潮，只能像洪水那样，用疏导办法，让它自由发展，并且主张以新文化运动的洪水，冲卷北洋军阀那样的猛兽。他在北大继续奉行“兼容并包”的方针，对包括马克思主义在内的各种思想流派，都采取维护的态度。北大因此成为马克思主义传播的最初基地。李大钊组织的“马克思学说研究会”成立时，蔡元培出席会议并讲话，还批准拨给两间房屋供其使用，表现出极为开明的态度。
蔡元培对劳工运动持同情态度，曾参与发起为青年学生工读互助团筹募基金。1920年5月，北京大学学生召开纪念五一劳动节大会，蔡元培予以支持，并亲题“劳工神圣”四个大字刊载于《新青年》杂志的扉页上。他认为社会的贫富不均，可以通过普及高等教育来逐步消除。为此，他在北大开设了平民夜校，招收附近工人和小商贩的子弟入学，还支持学生成立平民教育讲演团。蔡元培还是一位主张男女平等，提倡妇女解放的先行者。当时各大学还没有招收女生的先例，蔡元培说教育部“并没有专收男生的规定”，于1920年正式招收女生进北大，开创了我国大学男女同校的先例。
1920年冬，蔡元培赴欧美考察教育，先后荣获法国里昂大学授予的文学博士荣誉学位和美国纽约大学授予的法学博士荣誉学位。回国后，蔡元培又领导了教育独立运动，主张教育事业当完全交给教育家，保有独立的资格，不受各派政党或各派教会的影响。1922年5月，蔡元培、梁漱溟、胡适等人发表了《我们的政治主张》一文，提出组织一个“好政府”，“作为现在改革中国政治的最低限度的要求”。这年9月，曾在《我们的政治主张》上签名的王宠惠、罗文干、汤尔和等入阁，王宠惠任国务总理。这个政府当时称“好人政府”。蔡元培在“好人政府”上台后，他主持议决并公布了“新学制系统改革令”。这个学制一直沿用到解放以后。
1922年11月，北洋政府非法逮捕财政总长罗文干，引起轰动一时的“罗案”风潮。此案中军阀政客沆瀣一气，狼狈为奸的丑态暴露无遗。次年1月，蔡元培愤而辞职，不待批准即行离京。同年7月，他再赴欧洲，先后旅居比利时、法国、德国等地。1925年“五卅运动”爆发后，他在欧洲一些报纸上发表了《为国内反对日英风潮敬告列强》的文章，说明惨案真象。
1924年1月，中国国民党第一次全国代表大会在广州召开。经孙中山提名，蔡元培被选为候补中央监察委员。在以后的历次代表大会上，他均被选为中央监察委员。
1926年2月，蔡元培回到国内。在北伐战争中，他曾参与浙江省的自治活动，担任浙江临时政治会议委员。1927年，他附从了蒋介石反共清党，“护党救国”的反革命行动。蒋介石在南京成立国民政府后，蔡元培参加了中央政治会议，担任了国民党中央特别委员会常务委员。国民党政府教育行政委员会常务委员以及全国最高学术教育行政机关——大学院院长等职务。1928年又任国民政府常务委员、代理司法部长、监察院长以及中央研究院院长等职。1929年他辞去所兼各职，专任中央研究院院长。
蔡元培在国民党政府中，主要是从事教育和科学工作。在大学院院长任内，他明令废止全国春秋祀孔典礼，大力推行义务教育计划，提出了教育科学化、劳动化、艺术化的方针。他还借鉴法国的教育行政制度，尝试推行大学区制，但不久归于失败。与之相比，蔡元培在创设和领导中央研究院的工作中则取得了显著的成效。
蔡元培对科学研究非常重视，认为“科学研究尤为一切事业之基础”。大学院成立后，蔡元培即积极主持筹备中央研究院，并兼任研究院院长。1928年国立中央研究院正式成立。在蔡元培的主持下，中央研究院共成立了物理、化学、工程、地质、天文、气象、历史语言、心理共九个研究所和一个自然博物馆，聘请了国内一些著名的科学家和学者为研究员，如丁西林、严济慈、翁文灏、李四光、徐渊摩、李石曾、周鲠生、竺可升等。到1930年，中央研究院九个研究所共有专任、兼任、名誉、特约研究员91人，助理员64人，编辑员8人，初步形成了一支包括自然科学和社会科学各个部门卓有成就的专家学者在内的科学研究队伍。
这些研究所成立后，积极开展了工作，如历史语言研究所在安阳发掘殷墟，地质研究所在湖北等地调查地质矿产，天文研究所建筑紫金山天文台等等，取得了一批杰出的研究成果。蔡元培身负院长重任，将主要精力都倾注在领导中央研究院的工作上。他知人善任，选贤择能，发扬民主，有力地促进了科学研究事业的进步和发展。一直到去世为止，他从未与中央研究院脱离过关系。正是在他的惨淡经营之下，中央研究院才得以不断发展壮大，网罗了全国最优异的研究人才。而蔡元培则是所有这些学科大师的统帅和领袖。中央研究院的专家学者对蔡元培也非常拥护和敬佩。翁文灏曾回忆说，“蔡先生对于中国科学事业最大的贡献，当然是在中央研究院的创立”，“他自身则因德望素孚，人心悦服，天然成为全院的中心”①①引自周天度著《蔡元培传》第295页，人民出版社1984年出版。陈翰笙，李济等也高度赞扬蔡元培为“伟大、崇高的学术大师”，是“言行一致、心口如一、雍容大度的伟大学者和教育家”。
在政治上，蔡元培虽曾一度附从蒋介石反对革命，但在1931年“九·一八”事变后，其政治倾向又有转变。面临严重的民族危机，他主张对日抗战。1932年12月，他和宋庆龄、杨杏佛等发起成立了中国民权保障同盟，并担任副主席。民权同盟成立后，为保障人民的民主自由权利，营救政治犯开展了多项活动，曾成功地营救了许德珩、陈赓、丁玲等人。1936年9月，毛泽东在给蔡元培的信中，称赞了他的爱国进步主张，并希望他为抗日救国的伟大事业而继续努力。西安事变后，第二次国共合作终于实现，蔡元培对此感到由衷的高兴，“欣欣然以国共能重新合作共赴国难，为国家民族之大幸”①①引自周天度著《蔡元培传》第367页，人民出版社1984年出版。
蔡元培与鲁迅的关系比较密切，对鲁迅提掖扶持，不遗余力。他任北大校长时，聘请鲁迅到北大任教长达六年之久。任大学院院长后，又聘鲁迅为大学院特约撰述员。1936年10月，鲁迅逝世，他与宋庆龄等不顾国民党当局的反对，组织治丧委员会并任主席，亲为执绋送葬。在葬礼上，他发表讲话说：“我们要使鲁迅先生的精神不死，必须担负起继续发扬他精神的责任来。”1938年，《鲁迅全集》出版，蔡元培为之作序，赞誉鲁迅为“新文学的开山”。
1937年抗日战争爆发。淞沪会战后，蔡元培移居香港。在港期间，他一面遵从医嘱养病，一面继续关心抗战，指导中央研究院的工作。1940年3月5日，蔡元培因晕厥、口吐鲜血而住进香港养和医院。入院后病势转危，虽经全力施救，终因年高体弱救治无效而溘然长逝，享年74岁。