政治形势的巨变给蔡元培的思想带来了极大的冲击，初步改变了他的思想和看法。他请假一年，回到了自己的故乡。在故乡的这段时间里，蔡元培读书的内容逐渐发生了变化。他对西学新知产生了浓烈的兴趣，专心研读了许多在别人眼里看起来晦涩难懂的科学书籍。通过阅读这些书籍，他了解了国外科学和文化的发展，更进一步认识到了祖国当前的落后现状。
1896年，蔡元培的长子阿根出生了。蔡夫人在1897年初夏带孩子来到北京，蔡元培为了能够多陪伴孩子和家人，搬出了会馆，跟家人暂时居住在方略馆里，不久又搬到绳匠胡同寓所。身边有了家人和朋友的他，从此在京城过上了稳定的生活。
然而，这种安定的生活并没有持续多久。变法失败后，蔡元培身边支持维新变法的朋友们，大部分都被革职，甚至被朝廷下令永不再用。此时的蔡元培对在京城当官的生活感到厌倦不已，于是做出了人生的另一个重要决定——放弃京城的职位，带全家南下，另寻一条能施展自己才华的出路。
1898年的秋天，蔡元培回到了家乡。虽然家乡没有京城那么繁华，却令他感到分外亲切。那块写着“翰林第”的门匾让他回想起往昔的荣耀，虽然此刻四年半的京官生活已经过去，但他身上的书生本色仍然不变。关于未来，蔡元培的心里有一个清晰的方向—那就是投身教育。他亲眼目睹维新党的惨烈失败，意识到只有投身新教育，才是报国的正确方向。
说干就干，回到故乡半个月以后，蔡元培就接受了请他担任邵郡中西学堂校长的邀请。这个学堂是徐树兰向政府申请公款而建造的，创立于1897年，徐树兰自己兼任校董，蔡元培当校长主持校内事务。学堂位于龙山脚下，已经收了三十多个学生，大概是在小学高年级到中学的教育程度。学堂里的教师基本都是当地才能出众的人，学堂里面开设了兼具中西学问各种种类的课程，比如经史子集的研学，又有西洋的物理和外语等。这在当时也算是比较先进的学校了。
蔡元培上任以后，马上开始招聘教职员工、筹备校内章程的修订、整理图书，因为工作繁忙，要处理的校务很多，他搬到了学堂里面居住。原来学堂里教授的外文课只有法语和英语两门，蔡元培考虑后认为掌握日语也很重要，于是想尽办法请来了小川外雄这位日籍教师，增加了日语这门外文课。
回顾自己的求学历程，蔡元培觉得阅读是非常重要的，因此对当时的许多读物尤其是一些维新派的报纸如《强学报》、《时务报》等进行了“解禁”，大力鼓励学生进行课外阅读。他还邀请教师们一起编写各类教科书。徐树兰也慷慨解囊资助出版教科书的印刷，以及想方设法购买理科教学所需要的仪器、标本和教具。他们这样齐心协力、尽心尽责地办学，唯一的目的就是想把学校办好，通过提高教学水平来大力推广教育。皇天不负有心人，邵郡中西学堂培养出了一批优秀人才，日后的北大校长蒋梦麟、中央研究院的秘书马祀光、浙江省教育厅的科员沈光烈，都曾是这个学堂的学生。
蔡元培在担任学堂校长的同时，仍然坚持学习，继续研读了严复的《天演论》、亚当·斯密的《元富》，还有斯宾塞的《群学疑言》等书。其中严复翻译的书籍对蔡元培的影响最大，以至于他把严复和谭嗣同并列为自己最重要的引路人。在繁忙的工作之外，蔡元培还翻译西方的著作，一方面是为了提高自己对西方社会的了解程度，另一方面也是为了让更多的人去了解西方文化。他不仅阅读和翻译日文书《日清战史》和《生理学》，也开始自学英文。在孜孜不倦的外文学习过程中，蔡元培的视野越来越广阔，不仅对他之前的传统观念冲击很大，也潜移默化地改变了他的个人政见。在当时看来，他的政见甚至显得有点激进。根据学生的回忆，在1899年秋天在中西学堂举办的一场宴会上，当蔡元培喝得酒酣耳热的时候，他曾当众批评了康有为和梁启超变法的不彻底，认为要达到变法的真正目的，必须把腐败的清政府排除在外。由此可见，当时“君臣大义”的陈旧观念已经在他脑海中渐渐失去了意义，他也彻底对清政府失去了信心。
在邵郡中西学堂里，也分为新旧两派，其中蔡元培支持的是新派，这引来了旧派的不忿，于是他们请来支持旧派的徐树兰对这件事进行干涉，新旧两派的内战愈演愈烈。当时徐树兰拿出代表旧派的报纸《申报》，让蔡元培挂在学堂，表明要压制新思潮的决心。出于对长辈的尊敬，蔡元培没有当场表现出过激的行为，但他认为新派本来就应该取代旧派，如果连自己所管的学堂都不能朝自己希望的方向发展，教育还有什么意义？事后，蔡元培马上就写了辞职信。但由于受到多方的挽留，他又回到学堂任职。在他辞职的这段时间里，还曾经在剡山书院为学员们做过演讲，用自己的亲身经历来教育学子们要顺应时代潮流。当时蔡元培还兼任了两所书院的院长，他一直都在寻找适合发展新教育的土壤。但到了1899年10月，学堂停办，蔡元培还是离开了。
1900年6月，蔡元培的夫人王昭病逝，去世时才35岁。蔡元培回忆起妻子，心痛不已：刚跟妻子结婚后的几个月里，一直在杭州参加乡试，直到考取举人；后面几年又一直奔波在外，并没有多少时间用来陪伴妻子。直到从翰林院请了假之后，才能回家跟夫人见面；后来妻子随自己迁居北京，这才总算一家团聚。戊戌变法后，自己不愿意再留在北京，妻子也毫无怨言地陪着自己。回到故乡后，自己迅速投身到教育和公益事业中去，妻子勤恳持家，让他毫无后顾之忧。没想到就在这时，妻子已经患上了严重的肝病，从此天人永隔。
妻子逝世后，蔡元培离开了中西学堂，去杭州筹办师范学院，最终没能成功。但他在这一阶段结交了许多朋友，像养正私塾教员林少泉、陈叔通等，还有“浙东三杰”之一的宋恕等人。说起他跟章太炎的相识过程，当时蔡元培在绍兴筹建小学时，跟朋友童亦韩一起从杭州去临安，途中经过余杭，顺便去拜访章太炎。因为童亦韩跟章太炎是老朋友，所以介绍蔡元培跟章太炎认识了。而蔡元培从章太炎之前出版的《訄书》里就感受到他的排满思想，认为他是志同道合可以当朋友的人，因此两人见面时一见如故。
蔡元培离开京城以后，展开了新的人生旅程。虽然学院任职之路并不顺利，但他积极投入的每项教育工作都为日后的办学起到了导向的作用。