在成立中国教育会前后，蔡元培又和蒋观云、黄宗仰、林白水、陈梦坡、吴彦复等一道筹划成立爱国女校。蔡元培的夫人黄仲玉女士也参与了女校的筹办工作。他们在上海登贤里的住所几乎成了爱国女校筹备会的场所。1902年9月间，爱国女校在登贤里正式成立，推举蒋观云为校长，女校经费由上海犹太富商哈同夫人逻迦陵女士独立予以资助。不久，蒋观云去日本，即由蔡元培担任女校校长。
《简章》 规定爱国女校“以教育女子增进其普通知识、激发其权利义务之观念为宗旨”。 学级分三期，第一期为预备科，第二期为普通科，学期各7个月，第三期为高等普通科，学期为6个月。开设的课程有伦理、历史、地理、国文、数学、卫生、体操等。每日讲课的时间为下午11点到5点，每月举行一次演说会，邀请名誉赞成员和中外饱学之士到校演说。学生则一律不寄宿校内。女校刚开办时，学生人数很少，约10人，大多为发起人的妻女。第二年，爱国女校迁至泥城桥福源里，与中国教育会和爱国学社同在一处，此后才开始招收外面学生，学生人数始有较大发展。蔡元培创办爱国女校，最初的目的是为了改变社会上重男轻女的陋习，提倡女子教育，但后来随着他本人走向革命，爱国女校如同中国教育会和爱国学社，也成了一个革命机关。
蔡元培在南洋公学期间还有这样一个插曲。1902 年的暑假，他第一次走出国门，前往日本游历。他这次去日本原计划逗留一个月，但到东京不久便发生吴稚晖大闹公使馆事件。为此他很快就离开日本，陪送吴稚晖回国。吴稚晖原也是南洋公学教员，因在校中组织卫学会，主张师生共同管理学校，结果遭校方反对，学生十余人被开除，吴本人也愤而辞职。吴辞职后又奉两广总督之命，率领学生赴日留学。当时，学生多想进成城学校学军事，但清驻日公使蔡钧秉承政府旨意，拒绝保送。吴便率学生到公使馆静坐抗议，被蔡钧招来的日本警察拘捕，限令回国。当日本警察押送他经过皇宫护城河时，吴愤而投水，以死抗议。但被日警救起，送至神户，押上法国邮船。蔡元培与吴稚晖在国内时彼此即认识。1901年12月间，他们在张元济邀请的一次宴饮上第一次晤谈。两天后，蔡元培还赴吴处拜访，交谈有关日本教育家加纳治五郎、伦理学家蟹江义丸的学说。 在听说吴被日方拘捕后，蔡元培即与留日学生一道设法营救，并请正在日本考察的京师大学堂总教习吴汝纶出面帮助。当时盛传蔡钧与日方密谋，计将吴送至天津，引渡于津吏，直送北京处置。留学生们急欲找一位熟悉北方情形的人陪同，以便随时援救。蔡元培便引以为己任，于8月5日乘上法国邮船，陪送吴回国。8月13日，蔡陪吴回到上海后，又由中国教育会在上海张家花园海天深处举行欢迎会。自此之后，吴稚晖与蔡元培交往日密，成为蔡元培一生中关系最密切的人之一。
蔡元培最后离开南洋公学是因支持学生运动。当时，南洋公学虽是一所新式学堂，但学校里同样也存在新旧之争。旧派教员不但思想僵化，在教学管理方面也是一套旧规矩，不受学生欢迎。五班教习郭镇瀛就是这样一个令学生讨厌的教员。11月14日，五班学生有人把墨水瓶放在郭镇瀛讲课的座位上，郭上国文课发现后便大发雷霆，小题大做，骂学生不敬师长，并毫无根据地把这件事栽在离他座位最近的学生伍正钧头上，上报总办汪凤藻将伍开除，另以五班学生隐匿不告，全部记大过一次。五班学生不服，找总办交涉，要求解退郭镇瀛，收回开除、记过成命。但总办李凤藻不但没有接受学生的要求，反而听信郭镇瀛一面之辞，竟然以“五班学生聚众开会，倡行革命之由”，将五班学生全体开除。校方的这一无理决定，引起其他各班学生的公愤。第二天（11月15日），各班学生200余人集体前往总办处．要求校方收回成命。总办开始拒不接见学生，几经交涉，最后答应每班各派一名代表入见。但谈判毫无结果，辩论数小时，专制的总办滥发淫威，竟然对学生说：五班学生既已开除，各班学生不得干预，有愿离校者，悉听尊便。学生代表只好愤然退出，大家对校方的这种专制行为均表忍无可忍，便决定前往校方上一级机关督办处集体退学。
退学事件发生后，蔡元培身为教员，极为同情学生。但他当时又不愿看到同学们学业半途而废，于是劝同学们再等待一下，努力争取公学当局改变成命。至16日上午10点，校方终无收回成命之举，蔡元培便毅然带领特班同学黄炎培、邵力子等与中院6个班同学一起列队走出学校。他对退学的同学们说：“汪总办不让我们完成学业，我们应该自动地组织起来，扩大容量，添招有志求学的学生来更好地进修。” 为使退学的学生不致失学，蔡元培积极联络中国教育会的几位负责人组织一学校，接收退学学生。由乌目山僧黄宗仰先生向犹太富商哈同夫人罗迦陵女士借得泥城桥市屋作为校舍，蔡元培本人则为解决学生一时的伙食，亲自前往南京向蒯光典借钱。行前，他的家人来码头泣告长子阿根病故的消息，蔡元培挥泪嘱托送行的朋友代为处理后事，毅然登轮而去。三天以后，终于借到6000元钱回到上海。 在蔡元培和中国教育会同志共同努力下，爱国学社于1902年11月26日在泥城桥福源里正式开学，蔡元培担任总理。南洋公学退学事件，是中国近代教育史上最早的一次学生运动。蔡元培在这次学生运动中表现出来的长者风范和勇于任事的精神，使他成为当时国内进步青年学生的导师。
