蔡元培为了实现革命理想，参加了暗杀、筹谋起义等革命活动。虽然努力，但革命成果并不显著。对前途感到茫然的蔡元培去了德国留学还进入了莱比锡大学。
蔡元培在莱比锡的学习生活相当充实。现在在莱比锡大学的档案资料室，还保留着蔡元培当时在学校里听课的资料——资料显示他当时学习过的课程达到了四十多门，其中涉及到心理学、哲学、文学、文明史、人类学等广泛领域；只要课程之间的时间不冲突，蔡元培都积极参加，抓紧每分每秒来努力学习，认真程度也远远超过了一般人。
对于为何选择如此众多的新型课程，蔡元培在《自写年谱》中解释说：“我向来是研究哲学的，后来到德国留学，觉得哲学范围太广，想把研究范围缩小一点，所以就专攻实验心理学。我看那些德国人所著美学书，也非常喜欢。因此，我就研究美学。但美学理论，人各一说，尚无定论，欲于美学得一彻底了解，还须从美学史研究下手，要研究美术史，须从未开化民族的美术考察起……”这种因旺盛求知欲所产生的“滚雪球效应”，使蔡元培在德国的求学变得十分广博。
在莱比锡大学的老师中，蔡元培最佩服哲学家、实验心理学创始人冯德和历史学家兰普莱西，每学期都选修他们开设的课。他称“冯德是一位最博学的学者”，其著作“没有一本不是元元本本，分析到最简单的分子，而后循进化的轨道，叙述到最复杂的境界，真所谓博而且精，开后人无数法门的了”。兰普莱西是一位史学革新者，他在校内创设的文明史与世界史研究所，原本只招收三四年级的学生，但当知道蔡元培是“清朝翰林”后破例招他入学。因此1910年至1911年，蔡元培除听课外，还从事文明史与世界史的研究。
除了以上的这些课程门类，在美术和音乐方面，蔡元培也得到了很大的收获。莱比锡当地的美术馆虽然大部分以图画为主，不及柏林等地的美术馆资源丰富，但也有文艺复兴以后的大家作品。当时美术馆第三层将各国美术馆收藏的名画，用精致的照片按时代陈列的方式启发了蔡元培，他考虑到以后中国如果开设美术馆的话，除了本国作品也必须有外国名家作品才算完整，如果得不到实物的话，其实也可以采用照片的方式来进行陈列。
德国是著名的音乐之都，这里人人热爱音乐，一般人都能演奏钢琴或提琴。椰园音乐厅常在会在星期天下午和晚上举办音乐会，悠扬的曲乐飘**在空气中，给蔡元培和同学们带来许多乐趣。蔡元培还曾经尝试过学习钢琴和提琴，但由于繁忙的学业没有继续下去。这里还有戏院，每天表演话剧或者小歌剧，话剧大多是使用标准德语表演的古今著名文学家的作品，这也给蔡元培提供了一个练习语言的好方法。
在莱比锡的三年时间里，他利用每年的暑假时间外出旅行，不仅到过德国境内的特雷斯顿、慕尼黑等城市，还去过德国境外的瑞士。瑞士的山明水秀令他流连忘返，也让他释放了学习繁忙带来的压力。当时蔡元培还总结了关于旅行的三个宗旨：第一是观赏旅游地的自然风景，第二是研究当地的古代建筑，第三是去研究博物馆里的美术品。总而言之，旅行不仅提高了蔡元培对美的鉴赏能力，还引发了他对美育教育的进一步思考：他开始意识到美学教育的重要性。他认为作为教育家应当具有远见卓识，应当考虑如何引进美育教育，因此在学成回国以后致力于提倡美育。
在繁忙的学业和丰富的课外生活之余，蔡元培还勤奋编写了一系列共五册的《中学修身教科书》，撰写了《中国伦理学史》，翻译了德国学者包尔生的《伦理学原理》。《中学修身教科书》是为中国新式学校撰写的一本经典课本，内容深刻而丰富，提纲挈领，循序渐进，既有伦理哲学思想上的观照，又有修身的方法和路径。各个章节内容详略得当，既有利于学生的学习，也给教师的课堂发挥提供了足够的空间。由商务印书馆出版发行，在民国初期得到了广泛的使用。《中国伦理学史》可以说是中国第一部从内容到形式都体现出西方思想的中国伦理思想史，其中用简单易懂的语言阐释了历代思想家的生平，介绍了他们的学说，还梳理了他们之间的比较和联系，并对此作出评价和结论。
蔡元培在撰写《中国伦理学史》时，虽然把伦理学与修身术严格区别开来，但这只是指文体上的区别。从研究目的和书中所体现的伦理思想来看，是为了在整理、归纳中国数千年伦理思想的基础上建立一种适合时代特点的伦理观念和行为标准。还有他翻译的《伦理学原理》，发行后影响很大，还被国内一些学校选为教科书使用。从蔡元培这段时间的著作中，已经可以感受到中西文化的交融，以及对传统文化的深入反思。
1911年秋天，蔡元培通过几位德国朋友的介绍，在维铿斯多中学参观。这是一所体制革新的私立中学，在课程上重视通过学习来领会而不是死记硬背，在制度上也不拘束，很注重对学生的音乐熏陶。学校平时会举行茶会，邀请教员和男女同学一起进行谈话。当时蔡元培住在教员宿舍中大概体验了一周的学校生活，在觉得新颖有趣之余也对新式教育方式有了新的体会。
蔡元培去留学的时间段恰好是20世纪初这个学习自由和新旧交替的时代，他在大学课堂里学习到歌德、叔本华、康德和莱辛等人的哲学和艺术思想，然后运用深厚的国学功底把各领域知识融会贯通，从而对欧洲学术的理解有了更深的领悟。这四年的德国留学生涯里，蔡元培经过学习对东西方文明产生的新的认识，也拓阔了他接纳新事物的思路，为他日后对中国教育和文化事业的领导奠定了坚实的基础。
虽然人在国外，但蔡元培始终密切关注着国内大事。这时期在法国留学的吴稚晖、张静江等人，组建了世界社，先后发行了《世界画报》和《新世纪》等刊物，宣扬反对政府统治和权威的无政府主义思想。蔡元培在德国遥相呼应，也加入了世界社。同时，他还从《神州日报》和《中外日报》上了解国内动态，跟陶成章和汪康年等人保持通信来了解革命立宪和保皇等力量的变化。
1911年，旨在推翻清朝专制帝制、建立共和政体的辛亥革命爆发了。蔡元培从德国报纸得知武昌起义的消息后非常激动，当时有德国朋友问他：“这次的革命是否会成功？”他充满信心地回答说：“一定可以，因为革命党已经准备很长时间了！”不久，蔡元培收到吴稚晖的来信，信里也提到了武昌起义和留学生这些消息，还告诉蔡元培说：“这是一大转机！”蔡元培马上回复了信件，又赶到柏林跟留德同学见面，募集款项响应革命。他还建议孙中山购买德国的新式大炮来增强武力装备。之后蔡元培收到陈世英的电报，请他火速回国，于是在1911年11月他回到上海，结束了四年多的留德生活。