1946年7月初，胡适由美国回到上海，月底到北平。9月20日，正式接任北大校长，开始了他在北大的最后时光。
胡适任北大校长期间，积极谋划北大的学科发展和教学条件的改善，但由于时局等原因，很多未能付诸实践。
胡适接手北大之初，曾向人表示，他很想把中文系某些教师的繁琐考证风气加以扭转，使他们能做到他所主张的“大处着眼，小处着手”。史学系主任姚从吾任河南大学校长后，胡适曾想兼任史学系主任，以便对史学的研究方法有所改进，考虑到已经兼国文系主任，就由秘书郑天挺兼任，自己则在史学系开了一门史学方法论的课程。但由于胡适作为名人太过忙碌，他对北大国文系的改造设想没有得到充分的实现。
胡适曾屡次向人说，蔡元培当北大校长的时候，北大盖起了红楼；蒋梦麟任北大校长的时候，北大建了图书馆，所以他计划为北大建一座大礼堂。
胡适做好了各种准备，他找人勘测地形，请梁思成设计方案，万事俱备只欠东风，唯独没有钱。1947年12月11日，胡适在南京向北大的校友呼吁“捐款建筑北京大学礼堂及博物馆”。1948年3月24日他再次发起北大校友募捐，建筑蔡孑民纪念大礼堂，作为北大50周年的祝寿礼物。但还是因为没有经费，计划最终落空。
学校经费没有着落，教师的生活清苦，聘请的教员无法落实，工作难以开展。胡适在记者招待会上曾抱怨“教授们吃不饱，生活不安全，一切空谈都是白费”。为了给教师们争取钱，胡适致电教育部，说平津的物价高昂，教员们的生活清苦，他请求教育部给教师们发实物，如果不能配给实物，请求他们按照实际的物价，提高实物差额金的标准。
胡适在日记中叹息道：“北大开教授会，到了教授约百人。我作了二个半钟头的主席。回家来心里颇悲观，这样的校长真不值得做！大家谈的想的都是吃饭！向达先生说的更使我生气。他说：‘我今天愁的是明天的生活，哪有工夫去想十年二十年的计划？十年二十年后，我们这些人都死完了”。因为经费短缺，他们连基本的生存都是个问题，这让胡适非常揪心。
胡适任北大校长期间在学科建设方面的一个重要计划就是物理系的发展和筹建原子物理研究中心。大约在1947年，胡适给当时的国防部长白崇禧和总参谋长陈诚写信说：“我要提议在北京大学集中全国研究原子能的第一流物理学者，专心研究最新的物理学理论与实践，并训练青年学者，为国家将来国防工业之用。”
胡适在信中开列了钱三强、何泽慧、胡宁、吴健雄、张文裕、张宗燧、吴大猷、马仕骏、袁家骝九人名单，并且说他们是“极全国之选”，并且都已经答应到北大。
1947年3月14日，胡适在中基会年会上提出中基会与北大第二次合作议案，具体内容是：北大向中基会借美元三十万元，分两年支付，作为购买图书设备之用。北大每年付息五厘，由教育部担保，用美金付还。两年之后，分十五年还本。
胡适说：“我们仔细考虑，决定把北大献给国家，作为原子物理研究中心，人才罗致，由北大负责。但此项研究与试验，须有充分最新设备，不能不请国家特别的补助。”
1948年，北大得到中基会十万美元的资助，用于发展物理系，筹建原子物理研究中心，但这一宏伟的计划同样由于时局的原因未能实现。
辽沈战役之后，人民解放军首次在人数上超过国民党军队。国统区货物奇缺，物价飞涨，人心惶惶，各地学潮不断，北平学生再度罢课，北大也有穷困学生排队请愿。在此艰难条件之下，胡适还是努力支撑残局，积极筹备北大的五十周年校庆。
据《北京大学五十周年纪念一览》，当时北大为纪念五十周年而准备举办的活动有很多，包括各种展览、实验室开放、学术演讲、出版纪念论文集等。此外，北大学生自治会将组织球类比赛、棋类比赛、自行车比赛、拔河比赛、话剧演出、“话家常”晚会等。整个五十周年的庆祝活动丰富多彩。
胡适在《北京大学五十周年纪念特刊》所作的《北京大学五十周年》一文中说：“北京大学今年整五十岁了，在世界的大学之中，这个五十岁的大学只能算一个小孩子。”“这个小弟弟年纪虽不大，着实有点志气！他在这区区五十年之中，已经过了许多次的大灾难，吃过了不少苦头。”
胡适历数了北大经历的艰难困苦，特别回忆了蒋梦麟校长期间北大“国难六年中继续苦干”的往事。最后说：“现在我们又在很危险很艰苦的环境里给北大做五十岁生日，我用很沉重的心情叙述他多灾多难的历史，祝他能安全的渡过眼前的危难，正如同他渡过五十年中许多次危难一样！”
1948年11月，南京政府想着把北大南迁。12月5日，平津战役开始，时局的急剧变化，不容国民党政府迁校。南京方面朱家骅、傅斯年、俞大维、陈雪屏四人则合谋求蒋介石设法救出胡适等北方学界名人。
12月13日，合众社称：“胡适博士已内定为蒋总统之高等顾问，其职责与罗斯福总统时代之霍浦金相似。”并说蒋介石曾授命胡适组阁，然胡氏谦辞，但他同意来京参与政府，出任总统顾问。也就在这一天，蒋介石派青年部长陈雪屏飞抵北平劝胡适南下，并说：“北平的城防一天一天的接近，不如早点离开！”胡适早已因兵临城下而坐卧不安，但此时却强装镇静，并告诉来者，“中共的叛乱和日本的外患不同，外患来时可以撤退，现在是国内的叛乱，怎好丢开北大不管”？言语之中，仍显示出对国民党政府抱有幻想。陈雪屏第二天飞回南京，向蒋介石报告了胡适不愿南下的事后，蒋又两次亲自打电报催促胡适南去，并于14日再次派专机飞平，强行接人，同时令胡适劝几位名教授一齐南飞。
飞机到了北平上空时，西苑机场已被共产党军队占领；只有南苑和天坛临时机场可用。来者告诉胡适说这是南下的最后一次机会。胡适打电话约辅仁大学校长陈垣一起南下，被陈拒绝。连他的小儿子胡思杜也坚决要求留在北平，不愿同他一起走。只有陈寅恪等少数人愿意跟胡适南飞。
14日一清早，陈雪屏便从南京打来电话，力劝胡适南行。十点钟胡适到校，在来使的催促下，胡适整理了自己简单的行李，眼看捆装好的102箱书无法带走，他只好捡些重要的带着，其中包括他正在校勘的几部《水经注》稿本和他独自占用的《脂砚斋朱批石头记》抄本。江冬秀则给小儿子思杜留下够结婚用的金银首饰和一些细软。待胡适城中收拾好行李后，傅作义的军队已将城门紧闭。胡适给傅作义打电话，想让他连夜放行，结果联系不上，只得住在城内东厂胡同自己家里等候。直到深夜11点多钟，傅作义才打电话来，说总统有电话，要胡适南飞，飞机次日上午八时可到。
胡适在电话中却故作姿态，对傅说他不能同傅留守北平的歉意。傅作义则表示可以谅解。当天晚上，胡适给文学院院长汤用彤、秘书长郑天挺留下便笺，说：“今早及今午连接政府几个电报要我即南去，我就毫无准备地走了。一切的事，只好拜托你们几位同事维持。我虽在远，决不忘掉北大。”写完此信，胡适感到一阵酸楚涌上心头，等待逃亡的焦虑折磨着他，使他难以入眠。夜阑人静，室内灯火阑珊，窗外月明星稀。他披衣出门，独自踱步庭院，听远处风声鹤唳，楚歌四起，此时此刻，他只有时而举首望月，时而扼腕长叹。第二天上午8点，胡适到勤政殿傅作义的总部等待飞机。此时傅正在和共产党代表谈判，准备化干戈为玉帛，他念记自己与胡适的旧交，且胡适执意要走，于是便放行。
12月15日下午，胡适夫妇和陈寅恪、黄金鳌、毛子水等朋友、学生在傅作义的亲兵卫队护送下，到南苑机场登机起飞，离开北平，前往南京。临入座前，胡适向北平作最后一瞥，古都含黛，草木萧然，远眺西山，隐约可见。在这一撇中，胡适也从此告别了北大。