最初，蔡鍔對袁世凱抱有幻想，認為他“宏才偉略，群望所歸”。但是，1915年5月25日，袁世凱與日本帝國主義秘密簽訂賣國的《二十一條》，深深刺痛了蔡鍔，使他看清了袁世凱的反動面目，8月，在袁世凱的授意下，北京出現了一個打著“籌一國之治安”旗號的“籌安會”，公然為復辟帝制製造輿論。接著，各類“聯合會”、“請願團”也紛紛粉墨登場，為帝制唱讚歌。12月，袁世凱完成了復辟帝制的準備，於12日宣佈接受帝位，下令取消民國，改用洪憲年號。
護國討袁
袁世凱復闢帝制的活動，使蔡鍔氣憤已極，他決心以武力“為四萬萬人爭人格”。於是他表面上裝出不關心政治的樣子，常去北京八大胡同，與名妓小鳳仙廝混，以矇蔽袁世凱，暗中卻多次潛赴天津，與老師梁啟超商量討袁計劃，並初步擬定了赴雲南發動武裝起義的戰略設想。內容是：“雲南於袁氏下令稱帝后護國軍起義形式圖即獨立，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，約三四個月後，可以會師湖北，底定中原”。這是個符合當時客觀實際的頗具膽識的戰略構想。
1915年11月，蔡鍔秘密離京赴津，旋以治病為名東渡日本，後經臺灣、香港、越南，於12月19日抵達昆明。在民主革命志士雲集的雲南軍隊中，從8月中旬“籌安會”成立時起，中下級軍官就積極活動，醞釀發動討袁起義。1915年9月11日以後，以唐繼堯為首的團以上軍官，又多次舉行秘密會議，確立了護國討袁的戰略決策，並著手進行戰爭準備工作。蔡鍔抵達昆明，加速了雲南反袁武裝起義的爆發。
1915年袁世凱稱帝，他由北京潛回雲南，與唐繼堯等人於12月25日宣佈雲南獨立，組織護國軍，發動護國戰爭。蔡鍔任護國軍第一軍總司令，唐繼堯為雲南軍政府都督，組成護國軍三個軍，分別從四川，湘西和廣西三個方向出師討袁。蔡鍔為第一軍總司令，率4個梯團(旅)約8000人入川，擬對川邊敵軍突然襲擊，出奇制勝，奪佔敘州(今宜賓)、瀘州諸要地，再北攻成都、東取重慶，爾後揮師東下，會師武漢。
四川戰役
1916年春率部在四川納溪、瀘州一帶擊敗優勢袁軍，迫袁取消帝制。袁死後蔡任四川督軍兼高官。
蔡鍔組織指揮的四川戰役，是護國軍在大洲驛休整數日，士氣復振，蔡鍔決定對敵反攻。這次反攻，無論是在制定計劃，組織協同，還是實施指揮諸方面，都有條不紊，果斷堅決，在整個護國戰爭中，堪稱精彩的一幕。3月16日，蔡鍔令右翼趙又新梯團自白節灘經雙合場進攻納溪側背，為主攻；中路顧品珍梯團一部由渠壩驛沿敘永河向納溪正面佯攻，朱德，張煦兩支隊從側翼向蘭田壩迂迴前進，阻擊瀘州援納之敵，劉存厚師進攻牛滾場，威脅江安守敵，掩護主力攻納。17日，幾路部隊同時向敵發起進攻，連戰皆捷，朱德一路甚至挺進到距瀘州僅幾公里的地方。敵人退到納溪外圍組織環形防禦。蔡鍔見各路進展緩慢，恐合江之敵抄襲後路，遂於24日令各路軍隊撤出戰鬥，退回出發地。經此一戰，敵主力“第七師將校傷亡殆盡，士兵損失過半，已無再戰能力。”
護國軍以弱於敵人的兵力，在餉彈兩缺，後方接濟時斷的情況下，與號稱精銳的北洋軍奮戰數月，雖沒有奪佔瀘州，卻牽制住了敵軍主力，阻止了敵軍的推進，有力地配合了其它方向軍隊的行動，推動了全國反帝制運動的發展壯大。1916年3月22日，袁世凱被迫宣佈取消帝制。瀘州前線總司令張敬堯，見勝利無望，也在1916年3月31日與蔡鍔達成停戰協議。
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逝世
嶽麓山蔡鍔墓袁世凱死後，黎元洪繼任為民國大總統，1916年7月6日任命蔡鍔為四川督軍兼高官。但是，這時蔡鍔的病情惡化，他草草處理了川省善後事宜，即於9月東渡日本治喉癌。1916年11月8日上午，終因醫治無效，病逝於日本福岡，年僅34歲。蔡鍔在遺囑中寫道：“我統率滇之護國軍第一軍在川戰陣亡及出力人員，懇飭羅佩金等核實呈請恤獎，以昭公允；鍔以短命，未能盡力為民國，應為薄葬。”
1917年4月12日，蔡鍔魂歸故里，北洋政府在長沙嶽麓山為他舉行國葬，蔡鍔也成為民國曆史上的“國葬第一人”。
家族成員
原配夫人：劉新英，後蔡鍔將其名改為劉俠貞(有段典故，她是妹替姐嫁)，生長女蔡菊蓮；
二夫人：潘惠英，她接受過西式高等教育，生二子一女：長子蔡端(族譜名蔡澤琨)，次子蔡永寧(族譜名蔡澤珂)，女蔡淑蓮；潘夫人二十幾歲便守寡，直到終老，後以教書為生。
母親：王太夫人，名再秀，約1862年生。邵陽縣谷洲鄉(今谷洲鎮)式南村桐梓坪人。生三男二女，男名蔡鍔、蔡垣、蔡墀，女名任閨、雲娥。
父親：蔡正陵，邵陽縣蔣河橋(今屬邵陽市大祥區蔡鍔鄉蔡鍔村)人，後遷洞口山門(原屬武岡)。
長孫：蔡協。
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