袁世凱自就任中華民國臨時大總統以來，政治野心日益膨脹，鎮壓殘害革命黨人，篡改憲法，破壞責任内閣制，将内閣當成自己的“後花園”，強化總統的權力，甚至妄想複辟帝制。在這盤複辟稱帝的棋盤上，讓袁世凱頭大的一個地方就是遠在邊陲的雲、貴等省沒有得到完全的掌控，為了防止形成地方割據政權和他對抗，袁世凱将蔡锷調入北京，加以籠絡和監視。
當時的蔡锷并不是懼怕袁世凱的威脅，畢竟任雲南都督的他手握兵權，在雲南當地深得民心，有一定的政績和威望，大有“将在外軍令有所不受”的能力和資本。可是他還是懷揣着輔佐袁世凱建立一個強盛的中華民國的天真美夢進了北京。1913年10月9日，蔡锷離開昆明，先由越南到香港，再乘船經停上海、南京，過山東。每到一地，袁世凱必派專員迎接，車馬迎護，接風擺宴。到了北京，袁世凱就給了蔡锷一些有名無實的閑職，如政治會議委員、參政院參政、将軍府将軍、陸海軍統率處辦事員、全國經界局督辦等。秉着為國效力之心的蔡锷深知袁氏讓他到經界局是敷衍他，但他認為正經界、清田賦也是治國要政，很想有所建樹。不過短短半年時間就主持編印了《中國曆代經界紀要》、《各國經界紀要》兩大學著作，可見他辦事的認真、踏實、細緻和嚴謹。
在蔡锷到京的一兩年時間内，他目睹了袁世凱操縱《總統選舉法》的修改、《臨時約法》的取消，辛亥革命所取得的成果，除了中華民國的招牌之外，已經破壞殆盡。1915年8月，在袁世凱的授意下，北京出現了一個打着“籌一國之治安”旗号的“籌安會”，“全國請願聯合會”等，為複辟帝制制造輿論，為帝制唱贊歌。
在籌安會醞釀之際，蔡锷與梁啟超在天津秘密商議，使他下定決心反對袁世凱複辟帝制。并初步拟定了赴雲南發動武裝起義的戰略設想。主要内容是：”雲南于袁氏下令稱帝後即獨立，貴州則越一月後響應，廣西則越兩月後響應，然後以雲貴之力下四川，以廣西之力下廣東，越三四個月後，可以會師湖北，底定中原“。從這時起，蔡锷與京中有關人員聯絡，與西南軍政人員密電往來，他還密派專使分赴廣西、湖南、廣東進行協商，還與遠在美國的黃興取得聯系。蔡锷在暗中策劃的同時，還要應對袁世凱的猜忌。在”籌安會“挂出招牌僅半個月後，梁啟超就在京津各大日報上發表其萬餘言的長文《異哉所謂國體問題者》，震動中外，傳誦一時。作為梁啟超得意門生的蔡锷，蔡锷在北京四處宣稱：“我們先生是書呆子，不識時務”。有人反問：“那你為什麼不勸你的老師？”蔡锷回答說：“書呆子哪裡勸得來，但書呆子也不會做成什麼事，何必管他呢？“他甚至發起成立一個”讨論國是會“，公開表示贊成袁世凱稱帝。
為了降低袁世凱的警惕，蔡锷開始涉足京城的八大胡同，對外營造一副花天酒地的風流形象。是以得了”風流将軍“的外号。世人傳頌的蔡锷與小鳳仙的故事，就在這個時候發生了。蔡锷在八大胡同邂逅了小鳳仙，這也是他護國戰争開始之前不可避免的一環。
蔡锷與小鳳仙的頻繁往來導緻了蔡锷的家庭風波，導緻夫妻反目成仇。這事不僅驚動了街坊四鄰，也驚動了袁世凱，直接使得袁世凱對他的防備心消散了一大半。經過調解，蔡锷出贍養費數萬，與夫人離婚。蔡母不滿兒子迷戀酒色，舍不得孫兒們，便與蔡夫人一起回湖南，離開了京城。家眷的離開，使懸在蔡锷心中的千斤大石落了下來。此後，蔡锷将八大胡同妓院作為與各方面聯系的接洽地。
在蔡锷的家眷離京之後，袁世凱接到特務舉報蔡锷與外界秘密通信。他便派便衣軍警闖入蔡锷家中翻箱倒櫃，搜查電報信件，結果一無所獲。蔡锷事先已有防備，早把有關的信件電報帶到天津梁啟超家中儲藏。
蔡锷以防不測，為了設法逃出，同時不引起袁世凱對雲南方面的注意，蔡锷一面向袁世凱幾次上書請假治病，一面暗中策劃逃跑。蔡素有舊疾，身體很差，是以治病不像借口。根據《政府公報》的資訊，1915年10月到11月下旬，蔡锷4次向袁世凱請病假，就醫地點從北京到天津再到日本，袁世凱統統準許。當輪船到達日本時，蔡锷與黃興派來接頭的人互換了服裝，對方喬裝成蔡锷下船就醫。而真正的蔡锷已乘船返還上海，然後途經香港前往越南河内，再經陸路直奔雲南昆明。
1915年12月13日，袁世凱宣布恢複帝制，正式稱帝，改用洪憲年号。
22日晚，他和另外37人歃血為盟，其誓詞曰：“擁護共和，吾輩之責。興師起義，誓滅國賊。成敗利鈍，與同休戚。萬苦千辛，舍命不渝。凡我同人，堅持定力。有渝此盟，神明必殛。”之後，他們向袁世凱發出了著名的護國戰争第一電——“漾電”：“⋯⋯變更國體之原動力，實發自京師，其首禍之人，皆大總統之股肱心脾。蓋楊度等六人所倡之籌安會，煽動于前，而段芝貴等所發各省之通電，促成于繼，大總統知而不罪，民惑實滋。”接着，電文要求将楊度等六人和朱啟钤等七人明正典刑，以謝天下。電文最後，要求袁世凱于24小時内答複。袁世凱沒有給予回應。于是，12月25日，唐繼堯和蔡锷等通電全國，宣布雲南獨立，起兵讨袁，拉開了護國戰争的序幕。誓師之時，蔡锷稱：“吾侪今日不得已而有此義舉，非敢雲必能救亡，庶幾為大陸民争回一人格而已。”
蔡锷率領第一軍4個梯團（旅）約8000人入川，拟對川邊敵軍突然襲擊，出奇制勝，奪占叙州（今宜賓）、泸州諸要地，再北攻成都、東取重慶，爾後揮師東下，會師武漢。護國軍以弱于敵人的兵力，在饷彈兩缺，後方接濟時斷的情況下，與号稱精銳的北洋軍奮戰數月，雖沒有奪占泸州，卻牽制住了敵軍主力，阻止了敵軍的推進，有力地配合了其他方向軍隊的行動，推動了全國反帝制運動的發展壯大。3月22日，袁世凱被迫宣布取消帝制。
1916年6月6日，袁世凱病逝，護國戰争結束。蔡锷臨危受命為四川督軍。當時蔡锷在全國威望極高，被視為“軍神“。