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25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12日宣布接受帝位，下令取消民国，改用洪宪年号。
护国讨袁
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，以蒙蔽袁世凯，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护国军起义形式图即独立，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。1915年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年袁世凯称帝，他由北京潜回云南，与唐继尧等人于12月25日宣布云南独立，组织护国军，发动护国战争。蔡锷任护国军第一军总司令，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。
四川战役
1916年春率部在四川纳溪、泸州一带击败优势袁军，迫袁取消帝制。袁死后蔡任四川督军兼高官。
蔡锷组织指挥的四川战役，是护国军在大洲驿休整数日，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，刘存厚师进攻牛滚场，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。1916年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1916年3月31日与蔡锷达成停战协议。
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岳麓山蔡锷墓袁世凯死后，黎元洪继任为民国大总统，1916年7月6日任命蔡锷为四川督军兼高官。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月东渡日本治喉癌。1916年11月8日上午，终因医治无效，病逝于日本福冈，年仅34岁。蔡锷在遗嘱中写道：“我统率滇之护国军第一军在川战阵亡及出力人员，恳饬罗佩金等核实呈请恤奖，以昭公允；锷以短命，未能尽力为民国，应为薄葬。”
1917年4月12日，蔡锷魂归故里，北洋政府在长沙岳麓山为他举行国葬，蔡锷也成为民国历史上的“国葬第一人”。
家族成员
原配夫人：刘新英，后蔡锷将其名改为刘侠贞(有段典故，她是妹替姐嫁)，生长女蔡菊莲；
二夫人：潘惠英，她接受过西式高等教育，生二子一女：长子蔡端(族谱名蔡泽琨)，次子蔡永宁(族谱名蔡泽珂)，女蔡淑莲；潘夫人二十几岁便守寡，直到终老，后以教书为生。
母亲：王太夫人，名再秀，约1862年生。邵阳县谷洲乡(今谷洲镇)式南村桐梓坪人。生三男二女，男名蔡锷、蔡垣、蔡墀，女名任闺、云娥。
父亲：蔡正陵，邵阳县蒋河桥(今属邵阳市大祥区蔡锷乡蔡锷村)人，后迁洞口山门(原属武冈)。
长孙：蔡协。
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