蔡元培到了北大，觉得这种学风、文风有改变的必要，遂决心大加改革。1917年初，首先请陈独秀为文科学长、复元瑮为理科学长、王建祖为法科学长（当时北京大学分文、理、法等3科）。不久胡适从美国留学归国，又被聘请为文科教授。他与陈独秀等共同创办刊物《新青年》，提倡新文化运动，向旧派开火。钱玄同又从而和之，刘半农也摇旗呐喊，这是所谓新派。国文研究所（当时还没有设系，相当于后来的中国文学系）也深受新文化运动的影响。学生方面亦创办《新潮》杂志响应《新青年》，声势十分浩大。于是姚仲实、陈石遗等不安于位；黄侃、刘师培也先后去职。北大学风、文风为之一变。这是新派对旧派交锋的第一回合，结果是新派旗开得胜，旧派败下阵来。
以当时北京大学的文风而论，大约可分为三派：第一派竭力提倡骈文，以黄侃、刘师培为代表。黄侃是章太炎的学生，他为文必效法郦道元、杨炫之，做诗必取法颜延年、谢灵运，说“颜谢之术，乃五言之正轨”。他当时在《中华新报》上发表的一些诗文，完全是模仿这四家。刘师培在旧中国文坛上颇擅盛名，他完全是一个复古主义者，为文好用古字，也写骈文。第二派竭力提倡古文，以姚仲实、陈石遗为代表。姚氏是安徽桐城人，自以为文章正宗，更提倡桐城派古文。第三派则主张骈散不分，以为文章本来面目是纯乎自然，只要说理畅通、描写生动，可以用散文，也不妨参用一些骈句。持这一派主张的人较多。
《新青年》杂志的前身是《青年杂志》，原来是一种极普通的学生读物。后经陈独秀主编，始改为此名，宣传马克思主义，提倡新文化运动，遂成为文学革命的急先锋。经常撰稿的有鲁迅、钱玄同、刘半农、胡适等人。当时与《新青年》对立的，在北大有《国故》，在南方有《学衡》，更有林琴南在上海利用《新申报》发表《蠡叟丛谈》，向《新青年》进行攻击。《国故》以旧派学生为主体，办得并不出色。教员中只有黄侃在课堂内外对学生骂骂新派而已，但是他向不执笔。刘师培写了一些文章，但是他只谈旧学，却未还击。《学衡》杂志出版较迟，以南京高等师范的柳诒谋、梅光迪、吴宓、胡先骕等为主体。他们代表封建文化，宣扬所谓人文主义，用文言文来批评反驳，不是《新青年》对手。在《新青年》上写文章的都是新文化运动的健将，积极采取攻势，锋芒锐利，猛厉无比。钱玄同也参加论战，但以发表随感录与通信之类为主，大多短小精悍，像一把尖刀似地插中论敌要害。后来陈独秀于1920年在北京新世界屋顶花园散发革命传单，为段祺瑞军阀政府所捕；胡适又分化出来，变成新文化运动的右翼，《新青年》不久就停办了。
蔡元培的另一措施，是取消过去北大的分科制度，改设14个系，后增加到二十几个系（数学、物理、化学、地质、生物、哲学、教育、法律、史学、政治、经济、中文、天文、心理学、社会学、东方文学、英文、法文、德文、俄文等），此外还有预科，图书馆主任是李大钊，均直接隶属于校长及教务长之下，使北大成为一所现代综合性大学。
蔡元培曾到德国、法国留学，受到欧洲大陆上自由研究风气的影响。所以他做北大校长，便提出“兼容并包”的政策，并做到“教育独立，教授治校”。只要在学术上有一定成就的，不管属于何种派别，不管站在什么立场，都可以请来在同一学校讲学。于是北大成了一个百家争鸣的园地。在政治上极端反动的辜鸿铭，也居然在讲台上高据一席，和政治上最先进的李大钊、陈独秀分庭抗礼。在哲学方面，许丹、梁漱溟讲印度哲学，张颐讲黑格尔哲学，马叙伦讲老庄哲学；胡适讲中国哲学史，并宣扬他从美国贩来的实用主义哲学。北大教授和学生办的刊物，如《每周评论》、《语丝》、《莽原》、《猛进》、《现代评论》、《新生》……层出不穷。在同一学校里，甚至在同一座大楼的楼上楼下，便可以听见两位教授同时在唱对台戏。
蒋梦麟写道：“保守派、维新派和激进派，都同样有机会争一日之短长。背后拖着长辫，心里眷恋帝制的老先生与思想激进的新人物并坐讨论，同席笑谑。教室里、座谈会上、社交场合里，到处讨论着知识、文化、家庭、社会关系和政治制度等等问题。”
蔡元培开设新课程中最遭受外界批评的，是中国文学系里新设的戏曲小说和哲学系里新设的印度哲学两课。在这以前，我国大学里还没有开过这两门功课。当时上海的《时事新报》对于大学里开起戏曲课来，便冷嘲热讽地加以攻击。戏曲最初的教员是吴梅，后来是许之衡。印度哲学起初由许丹担任，除了讲佛家哲学以外，还讲婆罗门及外道六师的哲学，不但一些“卫道”的先生们反对，连正统派的佛教也表示不满。许丹本属于佛教密宗，不大愿意教外道哲学，教了一两年，坚决辞职不干了，随后由梁漱溟继续担任。蔡元培也感到校内外责难纷至沓来，不好应付，所以在《北京大学月刊》发刊词里加以解释。
当时北大的自由研究风气，是经过一番斗争而后树立起来的。有人以五四运动以后我国学术界、思想界的混乱现象归罪于北大，而蔡元培的“兼容并包”政策实为祸首。这是不懂得历史辩证法的妄议。如果没有当年五四运动以后百家争鸣的盛况，就不会取得后来马克思列宁主义的伟大胜利。五四运动时代北大自由研究风气的发达和兼容并收政策的实施，正是历史发展上必不可少的一个阶段。
1919年5月4日，伟大的五四运动爆发。北京大学等多所学校的学生在天安门前集会，罗家伦、江绍原、张廷济为学生运动的3个代表。罗家伦起草了《北京学界全体宣言》，随后举行示威游行。军警当场逮捕学生。蔡元培、李大钊、陈独秀、朱家骅、胡适、鲁迅当时为营救学生，不惜发动全国工商界罢工罢市。北京学生的爱国运动，得到了各地青年学生和人民群众的同情和支持。学生爱国运动的烈火迅速燃遍全国，发展成为全国性的反帝爱国运动。
1926年《京剧》评选“新中国柱石”十佳人选，蔡元培获第一。
从1929年9月到1930年12月，蔡元培曾再次出任北京大学校长，只是时间并不太久。
