袁世凯自就任中华民国临时大总统以来，政治野心日益膨胀，镇压残害革命党人，篡改宪法，破坏责任内阁制，将内阁当成自己的“后花园”，强化总统的权力，甚至妄想复辟帝制。在这盘复辟称帝的棋盘上，让袁世凯头大的一个地方就是远在边陲的云、贵等省没有得到完全的掌控，为了防止形成地方割据政权和他对抗，袁世凯将蔡锷调入北京，加以笼络和监视。
当时的蔡锷并不是惧怕袁世凯的威胁，毕竟任云南都督的他手握兵权，在云南当地深得民心，有一定的政绩和威望，大有“将在外军令有所不受”的能力和资本。可是他还是怀揣着辅佐袁世凯建立一个强盛的中华民国的天真美梦进了北京。1913年10月9日，蔡锷离开昆明，先由越南到香港，再乘船经停上海、南京，过山东。每到一地，袁世凯必派专员迎接，车马迎护，接风摆宴。到了北京，袁世凯就给了蔡锷一些有名无实的闲职，如政治会议委员、参政院参政、将军府将军、陆海军统率处办事员、全国经界局督办等。秉着为国效力之心的蔡锷深知袁氏让他到经界局是敷衍他，但他认为正经界、清田赋也是治国要政，很想有所建树。不过短短半年时间就主持编印了《中国历代经界纪要》、《各国经界纪要》两大本著作，可见他办事的认真、踏实、细致和严谨。
在蔡锷到京的一两年时间内，他目睹了袁世凯操纵《总统选举法》的修改、《临时约法》的取消，辛亥革命所取得的成果，除了中华民国的招牌之外，已经破坏殆尽。1915年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”，“全国请愿联合会”等，为复辟帝制制造舆论，为帝制唱赞歌。
在筹安会酝酿之际，蔡锷与梁启超在天津秘密商议，使他下定决心反对袁世凯复辟帝制。并初步拟定了赴云南发动武装起义的战略设想。主要内容是：”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，越三四个月后，可以会师湖北，底定中原“。从这时起，蔡锷与京中有关人员联络，与西南军政人员密电往来，他还密派专使分赴广西、湖南、广东进行协商，还与远在美国的黄兴取得联系。蔡锷在暗中策划的同时，还要应对袁世凯的猜忌。在”筹安会“挂出招牌仅半个月后，梁启超就在京津各大日报上发表其万余言的长文《异哉所谓国体问题者》，震动中外，传诵一时。作为梁启超得意门生的蔡锷，蔡锷在北京四处宣称：“我们先生是书呆子，不识时务”。有人反问：“那你为什么不劝你的老师？”蔡锷回答说：“书呆子哪里劝得来，但书呆子也不会做成什么事，何必管他呢？“他甚至发起成立一个”讨论国是会“，公开表示赞成袁世凯称帝。
为了降低袁世凯的警惕，蔡锷开始涉足京城的八大胡同，对外营造一副花天酒地的风流形象。因此得了”风流将军“的外号。世人传颂的蔡锷与小凤仙的故事，就在这个时候发生了。蔡锷在八大胡同邂逅了小凤仙，这也是他护国战争开始之前不可避免的一环。
蔡锷与小凤仙的频繁往来导致了蔡锷的家庭风波，导致夫妻反目成仇。这事不仅惊动了街坊四邻，也惊动了袁世凯，直接使得袁世凯对他的防备心消散了一大半。经过调解，蔡锷出赡养费数万，与夫人离婚。蔡母不满儿子迷恋酒色，舍不得孙儿们，便与蔡夫人一起回湖南，离开了京城。家眷的离开，使悬在蔡锷心中的千斤大石落了下来。此后，蔡锷将八大胡同妓院作为与各方面联系的接洽地。
在蔡锷的家眷离京之后，袁世凯接到特务举报蔡锷与外界秘密通信。他便派便衣军警闯入蔡锷家中翻箱倒柜，搜查电报信件，结果一无所获。蔡锷事先已有防备，早把有关的信件电报带到天津梁启超家中储藏。
蔡锷以防不测，为了设法逃出，同时不引起袁世凯对云南方面的注意，蔡锷一面向袁世凯几次上书请假治病，一面暗中策划逃跑。蔡素有旧疾，身体很差，所以治病不像借口。根据《政府公报》的信息，1915年10月到11月下旬，蔡锷4次向袁世凯请病假，就医地点从北京到天津再到日本，袁世凯统统批准。当轮船到达日本时，蔡锷与黄兴派来接头的人互换了服装，对方乔装成蔡锷下船就医。而真正的蔡锷已乘船返还上海，然后途经香港前往越南河内，再经陆路直奔云南昆明。
1915年12月13日，袁世凯宣布恢复帝制，正式称帝，改用洪宪年号。
22日晚，他和另外37人歃血为盟，其誓词曰：“拥护共和，吾辈之责。兴师起义，誓灭国贼。成败利钝，与同休戚。万苦千辛，舍命不渝。凡我同人，坚持定力。有渝此盟，神明必殛。”之后，他们向袁世凯发出了著名的护国战争第一电——“漾电”：“⋯⋯变更国体之原动力，实发自京师，其首祸之人，皆大总统之股肱心脾。盖杨度等六人所倡之筹安会，煽动于前，而段芝贵等所发各省之通电，促成于继，大总统知而不罪，民惑实滋。”接着，电文要求将杨度等六人和朱启钤等七人明正典刑，以谢天下。电文最后，要求袁世凯于24小时内答复。袁世凯没有给予回应。于是，12月25日，唐继尧和蔡锷等通电全国，宣布云南独立，起兵讨袁，拉开了护国战争的序幕。誓师之时，蔡锷称：“吾侪今日不得已而有此义举，非敢云必能救亡，庶几为大陆民争回一人格而已。”
蔡锷率领第一军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，有力地配合了其他方向军队的行动，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。
1916年6月6日，袁世凯病逝，护国战争结束。蔡锷临危受命为四川督军。当时蔡锷在全国威望极高，被视为“军神“。