光绪二十九年（1903）1月间，由于中国教育会的言论十分激烈，引起守旧人士利用《申报》加以讥评。吴敬恒主张在《苏报》上，由元培、章太炎和他轮流撰写文章跟他们对抗。邹容遗着3月间，章士钊等31名南京陆师学堂学生集体退学，在蔡元培的协助下加入爱国学社。同时，浙江大学堂也爆发学潮，退学生自建“新民塾”，并电请蔡元培和吴敬恒前往支持。
当时仇满的情绪已日益高涨，蔡元培发表《释仇满》一文，发表在《苏报》上。认为种族之别，一是血液，一是风习，满人血统与汉族混杂既久，其语言文字风习亦已为汉族所同化。所谓满人，不过是在政治上拥有世袭爵位、不管实业而坐食特权的一个记号而已。只要满人自觉放弃其特权，则汉人绝无杀尽满人的必要。
3月底，跟着又有拒俄运动的展开，蔡元培剪了头发，和志愿加入“拒俄义勇队”的96名学生，穿上制服，早晚训练，准备抵抗俄国侵占中国东三省。可是，清廷不但没有明白青年学子的爱国热诚，反以为他们是在阴谋造反，而加以强烈的压制，结果只有迫使急进的青年走向反清的道路。
5月间，邹容的《革命军》和章太炎的《驳康有为论革命书》两本巨着先后出版，尤其轰动一时。
中国教育会会长于此时改由黄宗卿担任，却闹起会与社谁为主体之争。章太炎主张不与学社合作，吴敬恒较袒护社员。蔡元培原本态度温和，不随便袒护一方，但一向保持和平态度的蔡元培却为吴敬恒的一句刻薄话所激怒，忿然道：“我本要上德国留学去，我辞去会和社的事。”
说罢即离去。众人虽予挽留，但他去意已决，略整行装后，于20日乘船离开上海，临行时各人都去送别。
蔡元培离开上海不过半个月左右，轰动一时的“苏报案”便发生。章太炎和邹容被抓，吴敬恒逃匿，爱国学社亦遭波及而解散。案发时，蔡元培正船抵青岛，接到他哥哥蔡元坚发来的电报，说“清廷已与德使商定，电青岛德吏捕蔡某”云云。元培只好返沪，又重新参与上海志士的活动，这时，适逢俄人进兵奉天，蔡元培便与刘师培等发起“对俄同志会”，参加会员有百余人。
光绪三十年（1904），元培在《俄事警闻》上发表了一篇《新年梦》，主张说：“我们意中自然有个中国，但我们现在不切切实实造起一个国家来，怕永远没有机会了。”又提出了外交方面应办的三件事：一、恢复东三省。二、消灭各国的势力范围。三、撤去租界。这篇文章，颇能反映出他这时的思想。
对俄同志会并以《警钟日报》为机关报，报纸的编辑工作初由王小徐负责，其后嬗于蔡元培。他主持到这年6月间，因接任爱国女学校校长，编辑工作才由汪德渊接任。《警钟日报》后因揭载德人经营山东的密谋，触怒德国领事，报纸被封禁，拘去五人，上海的革命言论机关至此又遭遇挫折。
蔡元培重掌女校校政之后，除了在文字和教育方面努力鼓吹之外，与国内的秘密革命运动更建立了深厚的关系。1903年在东京成立的“军国民教育会”本因拒俄而起，但后来改组变成一个秘密从事革命活动的团体，并有“暗杀团”的组织，由杨笃生主其事。
军国民教育会会员黄兴归国后，创设“华兴会”，拟于1904年慈禧太后七十岁生辰之日，发动长沙等地起义。杨笃生回上海，别树“爱国协会”，由他担任会长，章士钊副之，蔡元培、陈独秀、蔡锷等也同时加入。
东京原有“浙学会”的组织，由陶成章主持。陶成章回沪后，和元培等人又在上海成立一个新的革命团体，叫做“光复会”，以扩大暗杀团组织为目的。跟着光复会的东京分部也正式成立，鲁迅等人也参加进来。元培加入光复会后，即邀请徐锡麟入会，并介绍徐与陶相识。
蔡元培参与暗杀组织，专学制造炸弹，赁屋购仪器药品，由黄兴带来十余枚弹壳，遂填以炸药。吴樾暗藏炸弹，计划行刺五大臣于北京车站，不幸炸药误发，竟以身殉。
1905年8月间，留日十七省革命志士在东京发起“中国同盟会”，以孙中山为总理，誓言“驱逐鞑虏，恢复中华，创立民国，平均地权”。本部之下，设立各省分会。上海分会由蔡元培担任分会长，光复会会员也大半加入同盟会籍。蔡元培以爱国女学校作为革命同志的接洽机关，并提供教员资格给徐锡麟、陶成章、杨笃生、黄兴等革命同志作为革命活动的社会身份。
同年，章太炎出狱，可是邹容却病死狱中。在邹容追悼大会上，蔡元培当众演说，痛诋清廷的暴虐，蔑视人权，听者无不动容。邹容墓前纪念塔落成，蔡元培又作演说，演辞特别警策，陈英士闻而感惜，返里变卖不动产，决心从事革命工作，他后来成就的事业实发端于此。
当时国内的革命人士主要集中策划暗杀和暴动，但暗杀工作不能顺利开展，革命的方针和步骤也无法确定，因此大家对革命的前景仍然非常黯淡。蔡元培的内心不免会有失落的感觉，因此改变一下生活环境的欲望便愈来愈强烈。到这年秋天，听闻清廷有派遣编修、检讨出洋留学之议，便决定进京销假，申请留学欧洲。临行，把同盟会干事一职托他弟子黄炎培代理，并将秘密文件及名单多种交给他保管。蔡元培离开上海，独自前往阔别了8年的北京。
光绪三十二年（1906）秋，蔡元培跑到北京，一心想申请去德国，但因政府绌于经费，无法派出。后在译学馆任教，等待出国时机。译学馆后来归并京师大学堂，而1912年京师大学堂改为北京大学，所以蔡元培这次在译学馆的任教，实在是服务于北大的第一次。他的《中国孙宝琦像伦理学史》一书就是在这段时期写成的。
1907年4月，清政府派孙宝琦为出使德国大使，孙宝琦允每月资助元培学费30两，而商务印书馆又与蔡元培订定每月送编译费百元。基本生活费用问题既已解决，元培遂随孙宝琦赴德留学。这一年蔡元培已四十一岁，作为一个留学生，年纪似乎大了一点；可是，他时常想争取进修机会以充实自己的学问，这种好学的精神，实在令人敬佩。
蔡元培在德留学，直至辛亥年（1911）革命成功，始回中国，前后有四年。他进入莱比锡大学专攻哲学，在校期间翻译德国哲学家包尔生所着的《伦理学原理》，由上海商务印书馆出版。在他初到柏林时，即闻徐锡麟起义于安庆，被执就义；不久，秋瑾又密谋在绍兴起义，也被捕遇害，光复会的力量大受摧残。
当时，吴敬恒、李石曾、张静江等在法国巴黎出版《新世纪》周报，宣传无政府主义，并反对君主立宪，提倡革命。蔡元培受无政府主义思想的影响，在德国也作精神上的呼应。辛亥年4月27日，黄兴所领导的广州起义虽然失败，却轰动全国，革命情绪自此更趋高涨。10月10日武昌起义.武昌光复后，鄂军政府旋告成立。
蔡元培得吴敬恒在伦敦寄出的信，始知武汉的消息。他在致吴敬恒的信中，有“弟恐不能久留此间”之语，暗示打算回国赴难、共同奋斗的意向。其后，接陈英士电报，催他回国。于是结束四年的留学生涯，取道西伯利亚东归。抵达上海之日，正是黄兴由武昌抵沪之时，即12月1日前后，孙中山尚未返国。他一时没有住处，蒋维乔留他住在爱国女学校内。
12月4日，各省代表议决以南京为临时政府所在地，黄兴当选为大元帅，黎元洪当选为副元帅。孙中山亦于年底返国，旋即当选为临时大总统，以1912年1月1日为中华民国元年元旦，此后改用阳历。是日孙中山就职于南京，着手组织内阁。各省代表会正式开会，通过国务员名单，各部门总长依次为：陆军黄兴、海军黄钟瑛、外交王宠惠、财政陈锦涛、司法伍廷芳、内务程德全、教育蔡元培、实业张謇、交通汤寿潜，中华民国第一次临时政府至此完全成立。
各部人选决定后，教育总长蔡元培因久居欧洲，对国内教育情形异常隔膜，特请蒋维乔帮助。二人并偕另一会计兼庶务职员，于1月4日晚上到达南京，住在一小旅馆中。5日，蔡元培正式就职，出席临时政府首次国务会议。会后，蔡元培往谒孙中山，请示教育部办公地点，孙回答说：“办公房屋要你自己去找。”连日奔走，一无办法。适遇江苏都督府内务司长马相伯，就商借碑亭巷内务司楼上空房三间作为办公处，随即迁入。其简陋情形，可想而知。
1月19日，教育部正式成立，当时全国各地仍然十分混乱，南北议和正在进行，清帝仍未退位，临时政府的政令未能有效推行。在这种情形下，蔡元培踏出了民国教育的第一步。
蔡元培自从四十五岁起，回国担任教育总长，后在北洋政府时代，又以国民党员的身份留在北京，担任北京大学校长。他一生最主要的贡献就是在北大校长的任内，其所树立的北大民主校风，源远流长，影响巨大。
北大作为五四运动的震源地，作为新中国的发祥地，对近代中国的影响是不言可喻的。“北大精神”就是“蔡元培精神”，这位北大之父，逝世于1940年，享寿七十二。他在辛亥革命前的生涯，简直是中国黎明前的奋斗纪录。他是从新旧过渡时期走过来的典型人物，他的言行典范和伟大的人格，感人至深，于今没有任何人会发生疑问。吴敬恒曾说：
蔡先生平时待人，对好人没有不尊敬，对坏人，也没有不宽恕。这个人只要有一点可取之处，总是待他很好。他惟一的志愿，一定要盼望中国出些了不得的大学问家。因为他抱了这种志愿，以前有了许多当仁不让的事。
对于蔡元培的人格，吴敬恒也说：
蔡先生之为人，真是所谓“君子和而不同”，他和哪一个人都很和气，然而他有一个“自己”。绝不是因为做人和气，就会人云亦云。蔡先生所到之地，谁和他相处，都像从前人交了程明道一样，如坐春风之中。不过虽坐春风之中，很感到有一种严肃之气。如果我们以之比古人，蔡先生很像周公，“不骄不吝”、“一沐三握发，一饭三吐哺”。什么事情，也是“仰而思之，夜以继日，幸而得之，坐以待旦”。俨如周公风度。
吴敬恒说蔡元培，在做人的态度上，对自己是“不骄不吝”，对人是“和而不同”，只要这个人有一技之长，没有不取其长，绝不问其短处如何。然而他无时或忘的，就是他自己的主张：鼓励造就大学问家出来。这有一个实例可以拿来佐证。
五四时期，新旧文学的论争，白话文言的抗拒，两派人士都服务于北大。胡适、陈独秀的提倡白话文派，和提倡文言文的林琴南、严复，都在北大教书。当时的校长就是蔡元培，他虽然倾向于革新的、进取的事物，但认为这几位老古董的确有一技之长，也就延聘他们在北大任教。所以说，蔡元培在北京大学担任校长时期，不问这个人有辫子没有辫子，只看他有没有学问，只要有一点长处的人，他没有不器重他的。这种态度，就是所谓“尊贤而容众，嘉善而矜不能”。
元培先生的伟大志愿，就在于他一生想为中国造就人才，他一生走的路就是教育爱国大道。无怪乎他所创办的第一所女校，取名为“爱国女学校”，他所设立的第一个学会，取名为“中国教育会”。他教育不忘爱国，爱国不忘教育。