蔡元培更是极力鼓励北大毕业生出国留学。除接受捐款选送罗家伦、段锡朋、汪敬熙等五人赴美研究外，山东、江西、河南、浙江等省公费留学，南洋兄弟烟草公司考选留学，留法勤工俭学，以及其他游学途径，他无不尽力相助。他们学成归国，许多人曾回母校服务。周炳琳、江绍原、姚从吾、陈剑、黄建中、赵抟、冯友兰、傅斯年、孙云铸、李宪之等，都在北大充任过教授。为了更好地吸取世界最新科学成果，蔡元培对于杰出的外国专家，礼聘之惟恐不及。欧美著名学者罗素等相继到北大并巡回全国各地讲学，大大浓厚了当时的学术空气。北大还授予杜威等人荣誉博士学位，表示对他们的尊重。
对于现代科学大师爱因斯坦，蔡元培更是想方设法，洽定其来华讲学，只因爱因斯坦疏忽误解，两过上海而未能践约，留下深深的遗憾。蔡元培感到原来的研究所“各系分设，……散漫一点”，就提出评议会讨论，通过北大《研究所组织大纲》，进行改组。预定设自然科学、社会科学、国学、外国文学四门。受经费与人力限制，先办国学门，聘沈兼士为主任。该学门曾出版《国学季刊》、《研究所国学门月刊》及歌谣、考古等丛书，并曾培养出一批优秀的研究国学的人才。
蔡元培还鼓励女性接受高等教育。1920年2月17日，江苏女学生王兰申请入学，因考期已过，蔡先生准她进校旁听，成为北大第一个女学生。随后，陆续被准许入学旁听的，尚有多人。这年暑期招考新生，北大就正式录取女学生，打破了男女不同校的禁例，这在中国教育史上，是值得大书特书的一个创举。
蔡元培对学校藏书特别重视，早在1917年初就任北大校长时，他就宣告要“筹集款项，多购新书”。旧北大没有购书的专门费用，此时，每年列有购书预算，规定不得移作他用。蔡元培1921年到美国考察时，曾向纽约、芝加哥、旧金山、洛杉矶的华侨报告北大扩充图书馆的计划，吁请海外侨胞慨予捐助；并由北大留美同学分组美东、美西募捐委员会，深入华侨家庭及商号劝募，收到相当数额的书款。他还募到世界最大图书馆——美国国会图书馆捐赠该馆全部藏书卡片，共八百六十余万张，运送来华，供北大师生及全国学者检索，并说：“为研究学问计，最要的是实验室。在这经济最困难的时候，我们勉强腾出几万元，增加物理、化学、地质各系的仪器标本。”
蔡先生指出：“有健全之身体，始有健全之精神，若身体柔弱，则思想精神何由发达？”为了锻炼学生的体魄，增进军事常识，北大组织学生军，将全校学生编为6个军，每军分3队，每队分3排，每排20人。每周训练3小时，第1-8周为各个教练期，教练柔软体操及游戏体操10小时，军操14小时；第9-20周，为成排及成连教练期，柔软体操6小时，军操30小时。蔡先生还聘请蒋百里和黄郛来校讲课。黄郛所讲《军制学》，分为战争、国保、兵制、陆海军威力等20章，每次讲1小时。北大教务会议通过的《体操规则》，规定“预科学生不愿习兵操者，应一律学习体操，每周3时”。其项目，有柔软体操、器械体操、团体游戏、架梁体操、足球、网球、篮球、技击、射术、滑冰（冬季）、舞蹈等。1921年秋季学期，蔡先生为北大哲学系讲授《美学》课程，撰写了3份讲稿：1、《美学讲稿》，阐述美学的定义；2、《美学的趋向》，分主义、方法两节；3、《美学的对象》，分对象的范围、调和、比例三节，可喜只“讲了十余次，因足疾进医院停止”。
蔡元培为了改进原由学生组织的美育社团，经北大评议会同意决定改组原有画法研究会及书法研究社为校办的造形美术研究会，自兼会长，增聘导师，开设课程。1922年12月17日北大25周年校庆时，该会展出山水、花卉、鸟兽、绣画、油画、钢笔画、铅笔画、书法、篆刻等二百二十八件，皆出自导师陈衡恪、吴法鼎、胡佩衡、盛博宣、刘子厚等及诸会员之手。北大评议会复通过《北京大学附设音乐传习所简章》，将原由学生组织的音乐研究会改为正式的教学机构，向全国各地招生。蔡元培兼所长，该所于1922年10月初开办。北大原有各种社团经过改组、改选，绝大多数继续存在。五四运动后，新的社团又如雨后春笋般成立起来，如教育研究会，史学会等等，活动频繁，使北大课外生活丰富多采。对此，报刊有过一段生动的描述：“跑到文科大楼，左一间政治学会研究室，右一间新潮社办公室，楼底下在赶印教授、学生们所办的各种定期刊物，楼上面是分门别类的各种图书阅览室，门房内则堆满着各种各样待售的杂志，使人应接不暇。译学馆里呢，那个顶大的大礼堂上，不是今天有什么学术演讲，名人演说，就是明天有什么学生大会，纪念大会，使人兴奋，使人振发。蔡先生长校时的北大师生，真有如鸢飞戾天，鱼跃于渊，既活泼，又愉快。这种气象，这种生活，那得不令人怀念无已！”
1920年冬，蔡先生亲赴欧美考察高等教育。先到法国、瑞士、比利时、德国、奥地利、匈牙利、意大利、荷兰及英国，访问了巴黎、苏黎世、鲁文、柏林、维也纳、罗马、伦敦等二十五所大学。6月1日，到达美国，在纽约、波士顿、华盛顿、旧金山、西雅图及加拿大的温哥华等城市，访问哥伦比亚、芝加哥、柏克莱加利福尼亚等十二所大学。在欧美期间，法国政府授予荣光宝星，法国里昂大学授予文学博士荣誉学位，美国纽约大学授予法学博士荣誉学位。8月6日，到檀香山，出席太平洋各国教育会议，他除了递交《教育独立议》的论文外，还提出两项提案：（一）小学教育采用公共副语议；（二）举行太平洋各国运动会议。
蔡元培在北京期间，除了主持北大校内的行政，对于校外各种教育事业，也积极参与协助。例如，他就任北大校长后，迅即与北京各国立大专校长合组校务讨论会，共同提出大学改制的方案。五四运动期间，与各校校长合力营救被捕的学生；接着又合力营救因反对中日直接交涉而被捕的学生。他还兼任国内外大学或社团职务，，对它们的工作，都尽力帮助。他还应各学校、各团体之邀，在北京，并前往天津、保定、上海、长沙、新加坡等地发表专题讲演。1917年5月，他在天津南开学校所讲体智德三育及思想自由而由周恩来笔录的两篇演说词，以及1920年10月他在长沙所讲《对于学生的希望》和《美术的价值》而由毛泽东笔录的两篇演说词，都已成为现代中国文化宝藏中极为珍贵的文献。
1922年11月18日，北洋政府无辜逮捕北大兼课讲师罗文，蔡元培对这种蹂躏人权以献媚军阀政客的勾当，极端鄙视和愤慨。1月17日，提请辞去北大校长，他在致黎元洪的辞呈中痛切地说：“数月以来，报章所记，耳目所及，举凡政治界所有最卑污之罪恶，最无耻之行为，无不呈现于中国。……元培目击时艰，痛心于政治清明之无望，不忍为同流合污之苟安；尤不忍于此种教育当局之下，支持教育残局，以招国人与天良之谴责。惟有奉身而退，以谢教育界及国人。”次日晨，即离京赴津，旋转往上海。北大师生和北京各高校师生坚持挽留蔡元培的斗争达数月之久，北洋政府未敢批准蔡先生的辞职。但是，从这时起，他也未再回到北大亲自主持日常的校务。
身居校长之名阶段
蔡元培到上海后，迅速准备赴欧，从事学术研究。北大评议会遂做出决议：北大校长仍需蔡先生担任，离校期间，请总务长蒋梦麟教授代理。12月27日，复由北京教育部正式发布部令：“国立北京大学校长蔡元培在欧洲考察未回校以前，派蒋梦麟代理校长。”蔡元培于1923年7月10日在苏州与周养浩女士结婚。7月20日，偕周夫人及长女威廉、三子柏龄乘“波楚斯”轮离沪，8月27日船抵马赛，28日，经巴黎，到布鲁塞尔居住。他在复北大评议会函中曾说：他“出京后，本决计脱离本校，故径启程来欧，拟以两年，专研美学。不意辞职之举，未能实现，而职务由蒋君代理，俾培得援‘任职五年以上出洋’研究之成例，仍居其名。培初意既承本校如此优待，势不宜置教育公务于不顾，故于本校委赴德国参与康德纪念会，赴里昂交涉中法大学代理校长诸问题，均不敢不黾勉从事，然坐是而第一年研究之时间，全被占去”。早在倡办里昂中法大学时，北大评议会即通过决议：“请蔡校长代表本校襄助筹款及一切进行事宜。”
1921年1月，法国政府将里昂圣底勒兵营捐作该大学校舍。同年5月，蔡元培与里昂大学校长儒班签订创办该大学的合约。随即在上海、北京、广州招生一百三十余人，由吴稚晖率领赴法，于10月10日开学上课。吴任中方校长，莱宾任法方校长。并设里昂中法大学协会，即该大学董事会，推蔡元培为中方董事长，推赫里欧为法方董事长。蔡元培到布鲁塞尔不久，里昂中法大学秘书长曾仲鸣及全校学生先后来函，为该校代理校长及设置学监问题，请他向法方校董商洽。1922年2月，该大学董事会召开会议，蔡元培与华法教育会法方会长欧乐教授一同由巴黎前往里昂，主持会议。10月间，再往该校，与师生共商改进校务的办法。
1924年2月2日，蔡先生移居法国的斯特拉斯堡。这一年，他大部分时间是代表北大与北大发起并主持的“退款兴学会”、以及北京教育部，出席各种国际学术会议及活动。4月上半月，到伦敦，呼吁英国朝野退还庚子赔款；4月下旬，赴德国哥尼斯堡，出席康德诞生200周年纪念会；5月间，在斯特拉斯堡，协助旅法中国美术展览会的举办；8月初，到奥地利的维也纳，出席第16届国际世界语大会；8月中至9月初，前往荷兰的海牙及瑞典的斯德哥尔摩，出席第21届国际亚美利加大会。他拜访了十几位具有影响的英国国会议员，阐述将退还的英庚款全部用于中国教育的主张，他们均表同情，愿予帮助。他在英国发表了一篇《处理退还英庚款的备忘录》，并通过伦敦《泰晤士报》、《每日电讯报》、《每日邮报》、《观察家报》等重要报刊传播他关于英退庚款只用于中国教育而不作他用的意见。在英国人组织“中国学会”请他讲演《中国教育之发展》晚餐会上，他强调应当把英退庚款首先用于“创设一所大规模的研究院”，作为中英友谊的纪念。
同年9、10月间，国内爆发直奉战争，直系冯玉祥发动政变，囚禁贿选总统曹锟，请孙中山北上。北大师生来电，促请回国。蔡元培复函北大评议会，告以头“一年研究时间全被占去”。“若此时辍业而归，……不特自问难安，而亦无以副本校特别优待之盛意。”愿“继续留欧完成学业”，俾“稍有所得，以副研究之名”11月15日，他偕夫人周养浩由法赴德。21日，蔡元培夫妇同到汉堡大学，报名注册入学。此时，蔡元培集中时间和精力，从事民族学的研究。但是，1925年突发若干事件，不得不挤些时间去参与。3月12日，孙中山在北京逝世，蔡元培除撰发唁电、挽联及祭文外，并于4月12日赶到伦敦，在英国各界华人追悼会上致悼词，号召国人师法“孙先生的精神”。法国里昂的中法人士也举行追悼会，他未能专程前往，特撰《孙逸仙先生传略》一文，寄给里昂中法大学秘书刘厚代为宣读。