蔡元培担任教育总长期间，提出美感教育，他解释所谓美感，“合美丽与尊严而言之，介乎现象世界与实体世界之间，而为津梁。”认为美学可以陶冶人的性情，养成高尚纯洁的习惯，是完整的人格教育所不能缺乏的，又是达成世界观教育的方法。因为美感有普遍性，可以破人我彼此的偏见；美学有超越性，可以破生死利害的顾忌，所以在教育上，应予特别注重。在他的教育思想体系中，美育是一个重要的组成环节，与世界观教育并列于其教育理想中超轶政治的一类。美育自此以教育法规的形式确立起来，德、智、体、群、美“五育并举”的教育方针，普遍为教育界所认同。

担任北京大学校长期间，1917年8月，蔡元培在北京神州学会演讲，并将所讲的内容写成《以美育代宗教说》，在《新青年》杂志上发表。他指出普通之美以外，可大别为崇闳之美（壮美）和都丽之美（优美），“而附丽于崇闳之悲剧，附丽于都丽之滑稽，皆足以破人我之见，去利害得失之计较，则其所以陶养性灵，使之日进于高尚者，固已足矣。”蔡元培的观点，是舍宗教而易之以纯粹的美育，或者说，把美育从宗教中解放出来。

换言之，美育有代替宗教美术功能的作用。宗教人士或以为其意在以美育取代宗教，而不予认同。蔡元培在1930年商务印书馆出版的《教育大辞书》中提到美育时说：“美育者，应用美学之理论于教育，以陶养感情为目的者也。人生不外乎意志，人与人互相关系，莫大乎行为，故教育之目的，在使人人有适当之行为，即以德育为中心是也。……所以美育者，与智育相辅而行，以图德育之完成者也。”

在《美育与人生》一文中，蔡元培指出“人人都有感情，而并非都有伟大而高尚的行为，这由于感情推动力的薄弱。”要转弱为强，就有待陶养，陶养的作用，叫做美育。“所以吾人固不可不有一种普遍职业，以应利用厚生的需要；而于工作的余暇，又不可不读文学、听音乐、参观美术馆，以谋知识与感情的调和，这样，才算是认识人生的价值了。”

蔡元培又在《美育》一文中谈到，美学的设备，可分为学校、家庭、社会三方面。学校课程中如游戏、音乐、图画、手工等，本就是直接的美育，而其他语言与自然、历史之课程，亦多足以引起美感。例如地理学上各方的名胜，历史学上各时代伟大与都雅的人物及其事迹，无不于智育作用中含有美育的元素。家庭居室方面，不问华贵和质素，“其最必要而为人人所能行者，清洁与整齐”。社会的改良，以市乡为立足点，设动物园、美术馆、历史博物馆、民族学博物馆、音乐院、剧院、电影院。“每年遇国庆日，或本市本乡之纪念日，则于正式祝典以外，并可有市民极端欢娱之表示，然亦有一种不能越过之制限，盖文明人无论何时，总不容有无意识之举动也。”结语强调：“美育之道，不达到市乡悉为美化，则虽学校、家庭尽力推行，而其所受环境之恶影响，终为阻力。故不可不以美化市乡为最重要之工作也。”

对于美学，蔡元培自己是身体力行的。1921年10月的新学期开始，他在北京大学讲授美学课程。1924年蔡元培一家人在法国，夫人周峻进巴黎美术专科学校学习，女儿蔡威廉则进里昂美术专科学校学习。留法学生刘既漂、林风眠等筹办旅欧中国美术展览会，推举蔡元培为名誉会长。同年，蔡元培还在法国斯太司埠举行的中国美术讲演会上发表演说。

1927年，蔡元培就任大学院院长，提出“使教育科学化、劳动化、艺术化”的教育方针，并与林风眠、杨杏佛、萧友梅等提议创办国立艺术大学。1931年他发表的《二十五年来中国之美育》一文，回顾了这方面的进展。

倡导美育之余，蔡元培也热衷于提携美术家，中国现代美术史上的两位名家——刘海粟与徐悲鸿都得力于蔡元培的辅助。刘海粟说蔡元培是他的恩师，是上海美专的精神领袖。蔡元培于提高科学质量、改革学制等方面，认真地承担了上海美专校董会主席的职责。徐悲鸿则获蔡元培聘任为北京大学书法研究会导师，此后他得以公费留学法国也是蔡元培为他争取的机会。徐悲鸿回国后，蔡元培又举荐他担任北平艺术学院院长。由此可见，蔡元培由提倡美育到培养专才，一以贯之。