最初，蔡锷对袁世凯抱有幻想，认为他“宏才伟略，群望所归”。但是，1915年5月7日，袁世凯与日本帝国主义秘密签订卖国的《二十一条》，深深刺痛了蔡锷，使他看清了袁世凯的反动面目，8月，在袁世凯的授意下，北京出现了一个打着“筹一国之治安”旗号的“筹安会”，公然为复辟帝制制造舆论。接着，各类“联合会”、“请愿团”也纷纷粉墨登场，为帝制唱赞歌。12月，袁世凯完成了复辟帝制的准备，于13日宣布接受帝位，下令取消民国，改用拱宪年号。
袁世凯复辟帝制的活动，使蔡锷气愤已极，他决心以武力“为四万万人争人格”。于是他表面上装出不关心政治的样子，常去北京八大胡同，与名妓小凤仙厮混，以蒙蔽衰世凯，暗中却多次潜赴天津，与老师梁启超商量讨袁计划，并初步拟定了赴云南发动武装起义的战略设想。内容是：“云南于袁氏下令称帝后即独立，贵州则越一月后响应，广西则越两月后响应，然后以云贵之力下四川，以广西之力下广东，约三四个月后，可以会师湖北，底定中原”。这是个符合当时客观实际的颇具胆识的战略构想。1915年11月，蔡锷秘密离京赴津，旋以治病为名东渡日本，后经台湾、香港、越南，于12月19日抵达昆明。
在民主革命志士云集的云南军队中，从8月中旬“筹安会”成立时起，中下级军官就积极活动，酝酿发动讨袁起义。9月11日以后，以唐继尧为首的团以上军官，又多次举行秘密会议，确立了护国讨袁的战略决策，并着手进行战争准备工作。蔡锷抵达昆明，加速了云南反袁武装起义的爆发。
1915年12月25日，云南通电宣布独立，众推唐继尧为云南军政府都督，组成护国军三个军，分别从四川，湘西和广西三个方向出师讨袁。蔡锷为第一军总司令，率4个梯团（旅）约8000人入川，拟对川边敌军突然袭击，出奇制胜，夺占叙州（今宜宾）、泸州诸要地，再北攻成都、东取重庆，尔后挥师东下，会师武汉。
护国军在大舟驿休整数日，士气复振，蔡锷决定对敌反攻。这次反攻，无论是在制定计划，组织协同，还是实施指挥诸方面，都有条不紊，果断坚决，在整个护国战争中，堪称精彩的一幕。3月16日，蔡锷令右翼赵又新梯团自白节滩经双合场进攻纳溪侧背，为主攻；中路顾品珍梯团一部由渠坝驿沿叙永河向纳溪正面佯攻，朱德，张煦两支队从侧翼向兰田坝迂回前进，阻击泸州援纳之敌，刘存厚师进规牛滚场，威胁江安守敌，掩护主力攻纳。17日，几路部队同时向敌发起进攻，连战皆捷，朱德一路甚至挺进到距泸州仅几公里的地方。敌人退到纳溪外围组织环形防御。蔡锷见各路进展缓慢，恐合江之敌抄袭后路，遂于24日令各路军队撤出战斗，退回出发地。经此一战，敌主力“第七师将校伤亡殆尽，士兵损失过半，已无再战能力。”
护国军以弱于敌人的兵力，在饷弹两缺，后方接济时断的情况下，与号称精锐的北洋军奋战数月，虽没有夺占泸州，却牵制住了敌军主力，阻止了敌军的推进，有力地配合了其它方向军队的行动，推动了全国反帝制，运动的发展壮大。3月22日，袁世凯被迫宣布取消帝制。泸州前线总司令张敬尧，见胜利无望，也在3月31日与蔡锷达成停战协议。
但是，袁世凯是顽固透顶的反动派，他不甘心也不承认自己的失败，还想在军事上再下一次赌注，与护国军拼个最后的输赢。于是，他明着打电报给蔡锷等人，要求“先戢干戈，共图善后”，暗地里却在重新整顿部队，组织第二批“征滇军”。袁世凯第二期作战计划，决定缩短战线，集中兵力于湖北，准备重点进攻湘西，再以湘西为跳板从翼侧进攻滇黔，另外分兵一部进攻陕西，（陕西将军陈树藩已宣布独立讨袁）以保障京师的侧翼安全。张敬尧虽然与护国军谈判停火，暗里也在制定新的作战计划，准备对护国军发动新的攻势。其作战企图是：以第8师主力分别从合江出先市、尧坝，向白节滩翼侧进攻，张敬尧亲率第7师主力由纳溪、茶堂子前出，向大州驿佯攻，钳制滇军主力，另以一部由二龙口，大渡口等处向大州驿侧后实施深远突击，直捣永宁，断绝滇军后路。
袁军新的作战企图，早被护国军识破。蔡锷等一面对敌“虚与委蛇”，努力达成停战协定，以便争取时间，整顿部队，调整部署，补充新兵，催运军需，一面积极商讨下一步作战计划，“以图大举”。
在对川作战方针和兵力部署上，唐继尧与蔡锷产生了严重分岐。唐继尧主张组织重兵集团出宁远（今四川西昌），经汉源、雅安攻取成都。其意图是想首先占领四川省城，造成先声夺人之势，然后由成都向川东，川南卷击，策应泸纳战场。对此，蔡锷极力反对。
蔡锷首先向唐继尧剖析了战场形势。指出：“宁远一路，山川险阻，给养艰难，只宜出奇兵偏师为奇袭扰乱之用，临以重兵，甚属非宜。”在泸纳方面，“逆军现有两师，且较精悍。我军现只九营，激战之余，兵额大减，以言防守，尚足勉强支撑，以言进取，即增加两三支队亦无必胜之把握。”而綦渝方向“逆军系第3师及第6师之各一旅，战斗力较弱，不难一战而破之。”因面蔡锷主张，下一步对川作战方针：“叙泸方面宜主守”，“对湘亦宜暂取守势”，而“綦渝方面则积极取攻势”，“以滇师举全力以出綦渝为当。”蔡锷的作战企图是在叙、泸、湘作战方向均取守势，牵制当面敌军，而集中主要兵力从綦江方向实施突击，进取重庆，控扼咽喉要地，既可以忸击袁军后续部队入川，又可以断绝泸、纳方向袁军退路，同时也斩断了敌作战运输线，陷泸州之敌于弹尽粮绝之境地。
由于袁世凯在6月6日忧郁死去，护国战争也随之结束，蔡，唐的作战计划都未能得到战争实践的检验。但是，客观地分析对比一下，不难看出，蔡锷设想的“以重兵趋綦渝”的作战计划，要比唐继尧钓以孤军远出宁远攻取成都的计划更切实可行一些。从蔡锷的作战计划可以看出，经一个多月的战争实践，他作战指挥水平有了明显提高。他总结了前期作战的经验教训，及时地转变作战方针，变多路出击为一路突击，变几个方向平分兵力为集中兵力于主攻方向，变强攻泸州为主攻綦渝，变内线抗击为外线抄袭、前后夹击。这种虚心体察战场情况，注意在战争中学习战争，不断提高自己的指挥艺术的精神，是难能可贵的。
袁世凯在亲信面前说蔡锷：“此人之精悍，远在黄兴及诸民党之上，即宋教仁或亦非所能匹。”是说蔡锷的能量在黄兴上，连宋教仁也不能与他相比，今天，果然是蔡反袁起义，断送了袁大头的皇帝梦。
袁世凯死后，黎元洪继任为民国大总统，于7月6日任命蔡锷为四川督军兼省长。但是，这时蔡锷的病情恶化，他草草处理了川省善后事宜，即于9月东渡日本治病。11月8日上午，终因医治无效，病逝于日本福冈，年仅34岁。
蔡锷在短暂的一生中，注意辨别政治风云，顺应历史潮流，投身革命运动；在军事理论和战争实践方面都作出了较突出的贡献。特别是在护国战争中，他抱病参战，指挥劣势军队顶住了优势敌人的进攻，逼迫敌军停战议和，表现了他坚定不移、临危不惧的精神和为国为民战斗到底的英雄气概。在作战指导方面，他注意及时总结经验，克服初战时存在的某些急躁性和片面性，根据战场态势的变化，及时修改作战计划，调整兵力部署，力求主动，避免被动，基本体现了他自己所主张的“因时以制宜，审势以求当，未可稍有拘滞”的战争指导思想。