袁世凯复辟帝制的活动，将军气愤至极，他决心以武力“为四万万人争人格”。于是他表面上装出不关心政治的样子，常去北京八大胡同，与名妓小凤仙厮混，以蒙蔽袁世凯，暗中却多次潜赴天津，与老师梁启超商量讨袁计划，并初步拟定了赴云南发动武装起义的战略设想。9月初，他派专人送密信给在美国的黄兴，告以国内形势和发难计划。又与云南总督唐继尧及在京有关人员，通过信使、密电联络，准备反袁，并以治病为掩护，到天津与梁启超密商反袁部署。袁世凯对将军一直有猜疑，加上曾任云南陆军第一师参谋长的路孝忱上京告密，得知云南唐继尧反对帝制，袁世凯即对各方函件检查甚严，并密令军政执法处派人重点对蔡锷的住宅进行搜查。
　　 将军知事紧迫，遂借此称病告假赴天津，住进一家医院，与黄兴派来的张孝准密商出走办法。11月19日深夜，改名化装，坐上一艘运煤船到日本，然后转上海赴香港，经越南而辗转入滇。袁世凯得知蔡锷脱离控制离京赴滇后，密电云南蒙自关道周坑和阿迷（开远）县知事张一鲲，防止蔡锷入滇异动，务须跟踪谋杀，若已入滇境，须沿铁路侦查捕杀。12月12日，袁世凯称帝，改总统府为新华宫，下令从1916年起废民国纪年，改为“洪宪元年”，宣告将于元旦日举行“登极”大典，此时举国反袁浪潮更加高涨。
　　 将军抵达昆明，云南民心大为振奋。12月21日至22日、将军与唐继尧、李烈钧等连日召开会议，决定发动讨袁护国战争。12月23日，唐继尧以开武将军督理云南军务，任可澄以云南巡按使的名义，向袁世凯发出通电，要求他取消帝制，惩办复辟祸首筹安会杨度等13名元凶，明正典刑，以谢天下。通电限定袁世凯要于12月24日上午10时以前答复，否则将举兵讨伐。24日将军和戴戡又联名向袁世凯发出通电，对袁进行最后忠告，要求他永除帝制。可袁世凯对云南的警告不予理睬。25日，将军与唐继尧等人宣布云南独立，组织护国军，发动护国战争。蔡锷任护国军第一军总司令，唐继尧为云南军政府都督，组成护国军三个军，分别从四川，湘西和广西三个方向出师讨袁。蔡锷为第一军总司令，率4个梯团（旅）约8000人入川，拟对川边敌军突然袭击，出奇制胜，夺占叙州（今宜宾）、泸州诸要地，再北攻成都、东取重庆，尔后挥师东下，会师武汉。
　　 民国五年（1916年）1月1日，袁世凯举行“登基”大典，护国军当天檄告天下，痛数袁世凯十九大罪状，号召全国人民共讨袁逆。1月10日，蔡锷率第一军全体官兵3100余人，在“拥护共和，誓灭国贼，万苦千难，舍命不渝”的誓词声中，从昆明出发，分左、中、右三路，向四川叙府、泸州、綦江进军。敌军有北洋军伍祥祯、冯玉祥部及川军共四个师，密集于叙、泸前线。面对强敌，护国军全体将士毫不畏惧，英勇出击，一战而攻下叙府。l月27日，贵州宣布独立。2月2日，川军第二师师长刘存厚在纳溪响应护国起义。正当护国军节节胜利之际，袁世凯调曹银、张敬尧两部援军到达阵前。将军在众寡悬殊、后援无继的情况下，放弃叙府、纳溪，退守大州驿，依险固守，并毅然宣布：“要死就死在这里，再退一步，非我辈死所。”他命令官兵休息待命，自己却不分白天黑夜，逐排同士兵谈话，温语慰勉，士气复振。是时，蔡锷写有《军中杂诗》：“蜀道崎岖也可行，人心奸险最难平。挥刀杀贼男儿事，指日观兵白帝城。”又写：“绝壁荒山二月寒，风尖如刃月如丸。军中夜半披衣起，热血填胸睡不安。”期间，将军常以游击方式，袭击袁军，在老百姓热情支持下，全歼张敬尧两个主力团，稳定了战局。3月15日，广西宣布独立、讨袁。将军乘机反攻，连克江安、南溪等县，敌军死伤惨重，全线动摇。接连乘胜将北洋军三个师、三个混成旅和部分川军歼灭或击溃，护国军第一军军威大震。同时，在桂粤和湘黔，护国军第二、三军也不断击败北洋军。
　　 护国军以弱于敌人的兵力，在饷弹两缺，后方接济时断的情况下，与号称精锐的北洋军奋战数月，虽没有夺占泸州，却牵制住了敌军主力，阻止了敌军的推进，有力地配合了其它方向军队的行动，推动了全国反帝制运动的发展壮大。泸州前线总司令张敬尧，见胜利无望，在1916年3月31日与蔡锷达成停战协议。护国运动的正义和护国战争的节节胜利，使全国各地护国讨袁烈火越烧越旺，袁世凯已无可奈何，被迫于1916年3月22日宣布取消帝制，仍自称大总统，企图保持他所窃取的统治地位。但全国反袁形势不因袁世凯取消帝制的花招而有所缓和，仍继续迅猛发展。袁世凯集团内部也日益分裂，广东、浙江、陕西、四川、湖南等省，相继宣布独立。6月6日，袁世凯在众叛亲离的忧愤中气绝身亡。至此，护国运动取得了伟大的胜利，粉碎了袁世凯复辟帝制的迷梦，再造了共和。
　　
　　 四
　　 1916年7月6日，将军任四川督军兼省长。7月29日，将军到成都视事，全城悬挂国旗，各界人士列队欢迎。他着手整编川军，统一财政，终因积劳成疾，喉结核日益恶化，无法坚持工作。他电告北京，请求辞职，8月7日获准离川。他草草处理了川省善后事宜，即于9月东渡日本治病。10月31日，黄兴在上海逝世，蔡锷病中闻噩，哭之甚哀，亲自负痛写了祭文和挽联，并函托张嘉森代表往祭黄兴。挽联云：以勇健开国，而宁静持身，贯彻实行，是能创作一生者；曾送我海上，忽哭公天涯，惊起挥泪，难为卧痛九州人。11月8日上午，将军戎马一生，为国为民呕心沥血，抱病出征，积劳成疾，终因医治无效，病逝于日本福冈，年仅34岁。将军在遗嘱中写道：“我统率滇之护国军第一军在川战阵亡及出力人员，恳饬罗佩金等核实呈请恤奖，以昭公允；锷以短命，未能尽力为民国，应为薄葬。”
　　 蔡锷逝世，举国悲痛。1916年12月21日国会决定追认蔡锷为上将军，1917年4月12日，将军魂归故里，北洋政府在长沙岳麓山为他举行国葬，将军成为民国历史上的“国葬第一人”。安葬于岳麓山。诸多名人故友纷纷悼念将军，写有许许多多的挽联、祭文，歌颂其历史功绩，表达极度哀痛之情
　　 孙中山为他亲书挽联：平生慷慨班都护；万里间关马伏波。
　　 梁启超：知所恶有甚于死者；非夫人之恸而谁为？
　　 康有为：微君之躬，今为洪宪之世矣；思子之故，怕闻鼙鼓之声来。
　　 唐继尧：所至以整军保民为要图，众论之归，大将慈祥曹武惠；平时惟读书致用相敦勖，公言不死，秀才忧乐范希文。
　　 丁怀瑾：成不居首功，败不作亡命，誓师二语，何等光明，故一旅突兴再造共和；下无逞意见，上无争利权，遗书数言，如斯深切，问举国朝野奚慰英灵？
　　 小凤仙闻将军辞世，悲痛欲绝。其挽联则是在庄严肃穆的伟人事迹中的一段小插曲，小凤仙的挽联和祭文据说都是衡州狂士王血痕所代撰。这两副挽联，当时传遍天下。第一副：不幸周郎竟短命；早知李靖是英雄。第二副：万里南天鹏翼，直上扶摇，那堪忧患余生，萍水姻缘成一梦；几年北地胭脂，自悲沦落，赢得美人知己，桃花颜色亦千秋。
　　 梁启超在蔡锷的追悼会上，疾呼蔡锷反袁是“为国民争人格”。他说：“护国军总司令蔡将军誓师之言曰：‘吾侪今日不得已而有此义举，非敢云必能救亡，庶几为中国民争回一人格而已。’……中国数万万人之人格，至今日已被袁世凯蹂躏而无复余。”1922年12月25日，梁启超在南京学界演讲《护国之役回顾谈》，又一次忆起蔡锷当年的话：“眼看着不久便是盈千累万的人颂王莽功德，上劝进表，袁世凯便安然登其大宝，叫世界看着中国人是什么东西呢，国内怀着义愤的人，虽然很多，但没有凭借，或者地位不宜，也难发手，我们明知力量有限，未必抗他得过，但为四万万人争人格起见，非拼着命去干这一回不可。”民国报人陶菊隐在他的《政海轶闻》“蔡锷”一则里有蔡锷致辞：“此次举义，所争者非胜利，乃中华民国四万万众之人格也。”
　　 在祭奠蔡锷将军的挽联里，朱德元帅其实最懂得这位景仰的昔日统帅的心思，其挽联为：“勋业震寰区，痛者番，向沧海招魂，满地魑魅迹踪，收拾山河谁与问；精灵随日月，倘此去，查幽冥宋案，全民心情盼释，分清功罪大难言”。在寄托哀思的同时，也发出了“收拾山河谁与问”的喟叹，这恰恰道出了将军“从头收拾旧山河”壮志未酬身先死之痛之憾！