從此，開始了北京大學曆史上的一個轉折。蔡元培對北京大學進行的全麵改革，使學校發生了重大變化。1917年底，北京大學文科教授吳梅製作了一首北京大學校歌，歌詞是：
“景山門啟旃帷，成鈞又新，弦誦一堂，春破朝昏，雞鳴風雨相親。數分科有東西秘文，論同堂盡南北儒珍。珍重讀書身，莫白了青青雙鬢，男兒自有真，誰不是良時豪俊，待培養出文章氣節少年人。”
這首校歌雖然還透出很濃重的舊式經院氣味，但基本反映了這一時期北京大學的麵貌。
2.就任北京大學校長
1916年6月袁世凱死後，黎元洪繼任總統。正在法國的蔡元培以欣喜的心情，獲悉國內政局的重大變動。8月間，他寫了《對送舊迎新二圖之感想》一篇短文，從民主主義的立場出發，深入地揭露了袁世凱專製政體的社會根源。他寫道：“袁氏之罪惡，非特個人之罪惡也，彼實代表吾國三種之舊社會：曰官僚，曰學究，曰方士。畏強抑弱，假公濟私，口蜜腹劍，窮奢極欲，所以表官僚之黑暗也；天壇祀帝，小學讀經，複冕旒之飾，行拜跪之儀，所以表學究之頑舊也；武廟宣誓，教院祈禱，相士貢諛，神方治疾，所以表方士之迂怪也。”蔡元培在政治上早已同袁世凱徹底決裂，但他並不把袁世凱的專製、複辟看作個人的行動，而是透過現象看到民國建立之後封建複辟勢力得以存在的社會原因；基於這個認識，他並不陶醉於因袁世凱垮台這一現實造成的共和勝利的幻景，而是發出“今袁世凱去矣，而此三社會之流毒，果隨之以俱去乎？”的疑問，表示了對國內政治的憂慮。這說明蔡元培的認識是比較深刻、清醒的，也可以看出不久他回國後在北京大學施展抱負的政治思想基礎。
袁世凱死後，蔡元培同其他因反袁流亡海外的革命黨人一樣，準備回國服務。北京國會裏的一批浙江籍議員，曾打電報請他回國擔任浙江省長，但他一如既往，無意於高位厚祿，婉言回絕了。這時，北京大學校長胡仁源已提出辭職，北京政府教育總長和次長已由範源濂、袁希濤分別擔任。範、袁曾與蔡元培在民元教育部共過事，深知蔡之為人，於是，經浙籍議員陳黻宸和北京大學教授馬敘倫的推薦，並取得時任總統的黎元洪同意，範源濂即提名蔡元培出任北京大學校長。1916年9月1日，蔡元培在法國收到了範源濂的促歸任職電。原電文是：
蔡鶴卿先生鑒：國事漸平，教育宜急。現以首都最高學府，尤賴大賢主宰，師表群倫。海內人士，鹹深景仰。用特專電敦請我公擔任北京大學校長一席，務祈鑒允，早日歸國，以慰瞻望。啟行在即，先祈電告。範源濂宥。
蔡元培接電報後即決定返回，並遠道專程往訪李石曾，約其同到北京大學，“以整理故都之學府，引為吾人共同之責任”，同時還約吳稚暉亦同去。10月2日，他同吳玉章一道自馬賽啟程回國，11月8日抵上海，先後在上海、紹興等地小住。
如前所述，民國建立後，北京大學曾進行過一些初步的民主主義的改革，但由於官僚積習很深，改革極不徹底，校政還相當腐敗。不少人以上大學“為升官發財之階梯”，對研究學問沒有興趣，讀書就是為了混資曆謀取官位。他們對專任的教員不歡迎，甚至教學認真的反遭反對；而由政府官吏兼任教員的，雖時時請假，年年發舊講義，他們卻十分歡迎，以為有此師生關係，可作自己將來仕途的靠山。教員中也有不少是不學無術的。課堂講授是敷衍塞責，“把第一次的講義，照樣印出來，按期分散給學生，在講台上讀一遍”。由於學生有這種“做官發財思想，故畢業預科者，多入法科，入文科者甚少，入理科者尤少，蓋以法科為幹祿之終南捷徑也”，造成了學科發展上輕文理的極不正常現象。因此，學校裏缺少學術研究的空氣，封建複古主義的陳腐思想泛濫。
對當時北京大學腐敗的校風，時為北京大學學生的顧頡剛曾有過形象的描述，他說：那時“學校像個衙門，沒有多少學術氣氛。有的教師不學無術，一心隻想當官；有的教師本身就是北洋政府的官僚，學問不大，架子卻不小；有的教師死守本分，不允許有新思想；當然也有好的，……但不多見。學生們則多是官僚和大地主子弟。有的學生一年要花五千銀元；當然，這樣的豪富子弟數量不多，大約不過兩三人。至於一年花千把銀元的人就多了，少說也有好幾十。像我這樣一年從家裏隻能拿二三百銀元來上學的，就是窮學生了，在學校裏沒有地位。一些有錢的學生，帶聽差、打麻將、吃花酒、捧名角，對讀書毫無興趣。那時的北大有一種壞現象：一些有錢的教師和學生，吃過晚飯後就坐洋車奔‘八大胡同’（和平門外韓家潭一帶）。所以妓院中稱‘兩院一堂’是最好的主顧（‘兩院’指參議院、眾議院，‘一堂’指京師大學堂）。這種壞現象是從清末保留下來的。那時在學生中還流行一種壞風氣，就是‘結十兄弟’。何謂‘結十兄弟’？就是十個氣味相投的學生結拜作兄弟，畢業後大家鑽營作官，誰的官大，其他九人就到他手下當科長、當秘書，撈個一官半職，‘有福同享’。這個官如果是向軍閥或大官僚花錢買來的，那麼鑽營費由十人分攤。這樣的學校哪能出人才？隻能培養出一批貪官汙吏！蔡元培先生來長校之前，北大搞得烏煙瘴氣，哪裏象個什麼‘最高學府’？”由此可見，北大當時受到社會非議並非偶然。
所以，蔡元培到上海後，曾有不少友人勸他莫進北大這個是非之地，弄得不好反壞了自己的名聲。對於蔡元培出任北大校長一事，在當時革命黨人中也有不同意見，如汪精衛、吳稚暉、馬君武等都曾持反對態度；蔡元培還曾邀汪、吳來北大相助，也被拒絕了。後來他在《我在北京大學的經曆》一文中回憶說：“民國五年冬，我在法國，接教育部電，促回國，任北大校長。我回來，初到上海，友人中勸不必就職的頗多，說北大太腐敗，進去了，若不能整頓，反於自己的聲名有礙。這當然是出於愛我的意思。但也有少數的說，既然知道它腐敗，更應進去整頓，就是失敗，也算盡了心。這也是愛人以德的說法。”
這裏，應該特別提到孫中山對蔡元培出任北京大學校長的支持，以及他對北京大學寄予的厚望。孫中山很重視開辟北方地區的革命工作，對蔡元培也十分了解和信任。他認為，像蔡元培這樣的老同誌，應當到那官僚氣氛籠罩下的北京去主持高等教育，這樣有利於向北方傳播革命思想，所以竭力主張蔡元培往就此職。孫中山對蔡元培出任北大校長的支持，對於蔡元培力排眾議、最後接受任命有重大影響。蔡元培在北大任職期間，與孫中山之間曾就當時國事問題有過書信往返。1918年初，蔡元培曾為國史編纂處編修國史問題征求孫中山意見。孫中山也熱情作複。孫中山對蔡元培在北大的工作是了解和滿意的。據有人回憶，1924年國民黨一大時，由孫中山提名蔡元培為候補中央監察委員，當時會場中有兩種不同的議論，一是批評蔡元培在北京政府勢力下出任北大校長，有依附軍閥之嫌，一是批評蔡元培放縱學生，仇孝非孔。有的代表還當場提出詢問。孫中山當即表示這是誤會，他說：“我知道他最清楚，故我有此處置。”他還說蔡元培在北方的任務很重大，因為北方政治環境的關係，所以隻提議他為候補監委，以使他不致因地位過於顯著而不便工作。孫中山希望蔡元培從歐洲回國後（按蔡元培於1923年離開北大到歐洲考察），仍能到北京去工作。後來的事實證明，孫中山對蔡元培出任北大校長的支持，確是一種遠見卓識。
在一些友人的讚助下，蔡元培也認為做大學校長不是做官；而且認為既然知道北大腐敗，更應進去整頓，就是失敗，也算盡了心。他在當時曾說：“覺北京大學雖聲名狼藉，然改良之策，亦未嚐不可一試，故允為擔任。”後來還用“我不入地獄誰入地獄”這句話，表示當時的決心。當然，蔡元培同意出任北大校長，也有他的教育救國思想的因素，如同他自己所說的：“吾人苟切實從教育著手，未嚐不可使吾國轉危為安。而在國外所經營之教育，又似不及在國內之切實。弟之所以遲遲不進京，欲不任大學校長，而卒於任之者，亦以此。昔普魯士受拿破侖蹂躪時，大學教授菲希脫為數次愛國主義之演說，改良大學教育，卒有以救普之亡，而德意誌統一之盛業（普之勝法，群歸功於小學教員；然所以有此等小學教員者，高等教育之力也），亦發端於此。”可見蔡元培出任北大校長，是同他的愛國宏願，為共和培養“完全之人格”的人才相聯係的。他在這裏所說的從教育著手，“使吾國轉危為安”，既包含對國家富強的殷切期望，也指對已瀕臨絕境的民主共和事業的挽救，為此而啟迪民智、培育人才，確仍不失為一救國之途，也是民主革命事業的一個重要方麵。於是，他抱定了整頓和改革北大的宗旨和決心，知難而進，毅然於12月22日北上就任北大校長的職務。
1916年12月26日，蔡元培正式被任命為北京大學校長。
1917年1月4日，蔡元培開始到校執行校長職務。
蔡元培的道德文章，為學界景仰，出任北京大學校長，深獲師生擁護，輿論界也寄予厚望。上海《中華新報》報道蔡元培抵京消息時稱：在“大風雪中，來此學界泰鬥，如晦霧之時，忽睹一顆明星也”。天津《大公報》於1926年12月28日發表《為大學校前途祝》的時評，稱“蔡君留法有年，學貫中西，今既得膺斯職，定能為教育界放一異彩，不禁拭目俟之”。翌日，上海《時報》也發表《歡迎蔡元培》的時評文章，稱：“政府昨已正式任命蔡元培氏為國立大學校長矣，此誠教育前途之一線曙光。夫國立大學，所以綰全國文明之樞紐，樹全國學風之模範，其關係至巨。今蔡氏秉績學之奇姿，以剛毅之精神出而任此，我知其必大有造福於教育界者也。”
蔡元培是一位具有革新精神、又有民主作風的人，他的到來，給暮氣很深的北大帶來了新的氣息。他到校的那一天，校役們也排隊在門口恭恭敬敬地向他行禮表示歡迎，他即脫下禮帽，規規矩矩地向他們鞠躬還禮。北大校長當時是所謂由大總統任命的簡任官，過去是從不理睬校役的；蔡元培的這個舉動使列隊歡迎他的師生和校役們感到驚訝和新鮮。此後，他每天出入校門，校警向他行禮，他都脫帽鞠躬。蔡元培和學生之間的關係也十分密切、融洽。從前學生有事和校長接洽，須寫呈文，校長批示後，張貼在告示牌上。蔡元培厭惡這種衙門作風，他到校後立即出布告：“此後學生對校長應用公函，不得再用呈文。”學生對學校有改進建議時，他就把提案送登校刊，擇其可行者付諸實行。他和學生之間還常有文字交往，研討學術，為學生的著述和發行的刊物題簽寫序。一位學生為其祖母八十大壽請他題字，他也欣然命筆，寫了“美意延年”四個大字。
蔡元培是當時國內學術界的領袖人物。他在清末就已有《哲學要領》、《中國倫理學史》、《倫理學原理》等譯著刊行於世。他的學問和道德修養，為學術界所推重，也深受青年知識分子的景仰。他在就任北京大學校長的演說中，講述了“抱定宗旨”、“砥礪德行”和“敬愛師友”三項要求；闡明大學的性質：“大學者，研究高深學問者也。”他指出：“大學生當以研究學術為天職，不當以大學為升官發財之階梯。”他特別強調大學生要有正大的宗旨，“宗旨既定，自趨正軌。諸君肄業於此，或三年，或四年，時間不為不多，苟能愛惜分陰，孜孜求學，則其造詣，容有底止。若徒誌在做官發財，宗旨既乖，趨向自異。平時則放蕩冶遊，考試則熟讀講義，不問學問之有無，維爭分數之多寡；試驗既終，書籍束之高閣，毫不過問，敷衍三四年，潦草塞責，文憑到手，即可借此活動於社會，豈非與求學初衷大相背馳乎？”所以他把“抱定宗旨，為求學而來”放在首要的位置。正是在這種宗旨下，他開始對學校的管理體製、科係設置、課程建設、教師隊伍以及學生課外活動等方麵，進行了全麵改革。
蔡元培出任校長的這一年，北京大學進行了一次紀念校慶二十周年的活動。由於北大是誕生於外侮日深、民族危機達到極點的清朝末年，它的成長幾經波折，幾度停辦，因此校慶紀念日，是采取糅合京師大學堂成立的1898年和1902年複校的12月17日而定的。據記載，這是北京大學曆史上第一次校慶紀念。蔡元培曾在這次校慶紀念會上發表演說，介紹了德國大學的情形，提出：“本校二十年之曆史，僅及柏林大學五分之一，來比錫大學二十五分之一，苟能急起直追，何嚐不可與為平行之發展。”他惋惜當時國家百事停滯不進，未能有此好現象，但又說：“本校當二十年前創設時，僅有仕學、師範兩館，專為應用起見。其後屢屢改革，始有八科之製，即經學、政法、文學、格致、醫科、農科、工科、商科是也。民國元年，始並經科於文科，與德國新大學不設神學科相類。本年改組，又於文、理兩科特別注意，亦與德國大學哲學科相類。所望內容以漸充實，能與彼國之柏林大學相頡頏耳。”對北大的進步寄予了厚望。
二十周年校慶時，製作了一首紀念歌，歌詞是：
域樸樂英材，試語同儕：追想遜清時創立此堂齋，景山麗日開，舊家主第門桯改，春明起講台，春風盡異材。
滄海動風雷，弦誦無妨礙。到如今費多少，桃李栽培；喜此時幸遇先生蔡。從頭細揣算，匆匆歲月，已是廿年來。
“喜此時幸遇先生蔡”，反映了師生對蔡元培的歡迎和希望。北大確是從此進入了一個新階段。
二、革新目標：使大學成為研究高深學問的機關
1.對大學的定位
1925年4月，蔡元培根據在北大工作期間的經驗，專門論述了中國現代大學觀念及教育趨向，他寫道：
北大的進步盡管緩慢，但是從晚清至今，這種進步已經是不可逆轉的了。這些窮年累月才完成的早期改革，同大學教育的目的與觀念有極大的關係。大學教育的目的與觀念是明確的，就是要使索然寡味的學習趣味化，激起人們的求知欲望。我們決不把北大僅僅看成是這樣一個場所——對學生進行有效的訓練，訓練他們日後成為工作稱職的人。無疑，北大每年是有不少畢業生要從事各項工作的，但是，也還有一些研究生在極其認真地從事高深的研究工作，而且，他們的研究總是及時地受到前輩的鼓舞和認可。
在這裏，蔡元培強調求學是為了求知，因而，使大學成為研究高深學問的機關是他大學教育的目的和觀念。應當說，這是蔡元培革新北京大學的重要指導思想，也是革新北京大學的目標和追求。“大學者，研究高深學問者也。”這是蔡元培對大學、也是對北大的定位。這是他在北大主持工作期間始終強調的一個主題。
1917年1月9日，蔡元培在《就任北京大學校長之演說》中，開宗明義向學生提出的要求就是要“抱定宗旨”，他說：“諸君來此求學，必有一定宗旨，欲求宗旨之正大與否，必先知大學之性質。今人肄業專門學校，學成任事，此固勢所必然。而在大學則不然，大學者，研究高深學問者也。”他要求學生拋棄誌在做官發財的思想觀念，徹底改變放蕩冶遊、不問學問的舊習，專心向學。隨後，他在致友人的信中又專門提出，擬“延聘純粹之學問家，一麵教授，一麵與學生共同研究，以改造大學為純粹研究學問之機關”。此後，蔡元培在北大主持工作五年多的時間裏，在每學年的開學典禮和其他向學生作的重要講演中，他都要反複強調這個大學的性質和革新的主題。
1918年9月20日，蔡元培在這一年開學式演說詞中指出：“大學為純粹研究學問之機關，不可視為養成資格之所，亦不可視為販賣知識之所。學者當有研究學問之興趣，尤當養成學問家之人格。”他列舉一年來為此而采取的各項革新措施後，特別叮囑：“望諸生亦必知其意，毋涉專己守殘之舊習也。”
經曆了五四運動的洗禮，蔡元培於1919年9月20日返校複職，在全體學生歡迎會的演說詞中，讚揚了學生在運動中表現出來的自治能力和自動精神，他由此表示：“深信大學組織，日臻穩固，不但一年換一個校長，就是一年換幾個校長，對於諸君研究學問的目的，是決無妨礙的。”仍然勉勵學生牢記求學宗旨。同日，他在《北京大學第二十二年開學式演說詞》中又一次指出：“諸君須知，大學並不是販賣畢業證書的機關，也不是灌輸固定知識的機關，而是研究學理的機關。所以，大學的學生並不是熬資格，也不是硬記教員的講義，是在教員指導之下自動的研究學問的。”
1920年9月16日，蔡元培在《北京大學第二十三年開學日演說詞》中，以欣喜的心情肯定了學生在這方麵的進步，他說：“一年以來，覺得學生方麵近來很有覺悟。把從前硬記講義、騙文憑的陋見漸漸兒打破了，知道鑽研學術是學生的天職。”他還說：“學生一年以來，不但有研究學術的興趣，兼且有服務社會的熱誠，這也是可喜的事。須知服務社會的能力，仍是以學問作基礎，仍不能不歸宿於切實用功。”
1921年9月23日，蔡元培考察歐美教育返校，在北大學生歡迎大會上發表演說，介紹英美國家學生和教員共同研究的情景，他特別指出：“要自動研究學問，才能夠發達個性，個性發達，才有創造的能力，中國學生個性發達的很少，因此對社會多是盲從，這都是平時死守講義，不能自動的研究所養成的習慣而來。”他不無擔憂地說：“以中國學生的能力，要是在西洋極其複雜的社會裏麵，決不能夠生存。”這不但說明學生不僅要以研究學問為天職，而且要有自動的創造的精神。10月11日，他在《北京大學1921年開學式演講詞》中又指出：“至於大學學生，本為研究學問而來，不要誤認這學問機關，為職業教育機關，但能圖得生活上便利，即為已足。”勉勵學生要養成既有活潑進取的精神，又有堅實耐煩的精神，“有第一種精神，所以有發明、有創造。有第二種精神，利害不為動，牽製有不受，專心一誌，為發明創造的準備。”
1922年10月2日，蔡元培在《北京大學1922年開學日演說詞》中，又一次明確而簡要地指出：“本校的宗旨，每年開學時候總說一遍，就是‘為學問而求學問’。”
蔡元培實際主持北大校務五年半，對他認定的大學的性質、學生的宗旨和革新的目標，也講了五年半，可見他對這個問題極端重視。當然，他所說的使大學成為“研究高深學問的機關”，並不是超政治、脫離現實的，而是同他“養成健全的人格，發展共和精神”的主張相聯係的，是摒棄封建性的教育宗旨，為共和政治培育人才。在舊教育思想中，“學而優則仕”，讀書是為了成為“人上人”，是一個根深蒂固的觀念。而蔡元培把大學定位為“研究高深學問的機關”，破除了延續兩千多年的傳統觀念，使那種“以大學為升官發財之階梯”的觀念轉變為“純粹研究學問之機關”，以大學為“灌輸固定知識的機關”轉變為“共同研究學問”。這個轉變，對大學的性質來說，是一個根本性的轉變；對學生來說，就是蔡元培所希望的，要有新的世界觀和人生觀。求學的宗旨，實際上是一個人生目的的問題，這是人生觀的核心問題。所以，蔡元培對大學的定位具有進步性和時代性，對於奠定近代意義上的大學是一個重要的指導思想。
蔡元培對大學性質的定位，也成為他革新北京大學的重要指導思想。從管理體製到學科改革，從辦學方針到課程建設，從注重學理到營造校園文化學術環境，都是圍繞大學為“研究高深學問的機關”這個宗旨和目的展開的。
2.建立教授治校的管理體製
蔡元培首先按照教授治校和歐美各國資產階級民主製的原則，對學校的管理體製進行了改革。
蔡元培是近代中國學習西方教育的資產階級先進代表。他曾多次到歐美各國留學、考察，著重考察和研究西方資產階級國家的政治製度和文化教育製度。他接受西方資產階級的哲學思想影響，在政治製度上，他讚成議會製和內閣製，反對專製獨裁；在學校體製上，他反對校長權力的過分集中，主張民主辦學，成為國內提倡教授治校最早的一個人。1912年在由蔡元培主持起草頒行的《大學令》中，就規定了大學要建立評議會、教授會的組織，並對它的權限作了相應的規定。
作為北京大學前身的京師大學堂，實行的是與封建文化專製相適應的學監製，學校設有總監督，各科有監督，他們多是封建官僚。一切校務均秉承總監督辦理，使學校如同衙門。這種專製流毒影響很深。1915年11月，北京大學曾根據《大學令》建立了評議會，處理學校行政事宜；但評議會原定的權限沒有得到很好實施，學校權力仍然集中在少數幾個人手裏，許多重大校務的進行，都隻由校長、學監主任和庶務主任幾個人辦理，甚至連各科學長也未能參與，形成了校長等少數人大權獨攬的局麵。所以蔡元培說：“我初到北京大學，就知道以前的辦法是，一切校務都由校長與學監主任、庶務主任少數人總理，並學長也沒有與聞的。我以為不妥，所以第一步組織評議會，給多數教授的代表議決立法方麵的事；恢複學長權限，給他們分任行政方麵的事。但校長與學長仍是少數，所以第二步組織各門教授會，由各教授與所公舉的教授會主任分任教務。將來更要組織行政會議，把教務以外的事務，均取會議製。並要按事務性質，組織各種委員會來研討各種事務。”這是他改革管理體製的出發點和設想，並逐步在北京大學得到實現。