蔡元培擔任教育總長期間，提出美感教育，他解釋所謂美感，「合美麗與尊嚴而言之，介乎現象世界與實體世界之間，而為津樑。」認為美學可以陶冶人的性情，養成高尚純潔的習慣，是完整的人格教育所不能缺乏的，又是達成世界觀教育的方法。因為美感有普遍性，可以破人我彼此的偏見；美學有超越性，可以破生死利害的顧忌，所以在教育上，應予特別注重。在他的教育思想體系中，美育是一個重要的組成環節，與世界觀教育並列於其教育理想中超軼政治的一類。美育自此以教育法規的形式確立起來，德、智、體、群、美「五育並舉」的教育方針，普遍為教育界所認同。

擔任北京大學校長期間，1917年8月，蔡元培在北京神州學會演講，並將所講的內容寫成《以美育代宗教說》，在《新青年》雜誌上發表。他指出普通之美以外，可大別為崇閎之美（壯美）和都麗之美（優美），「而附麗於崇閎之悲劇，附麗於都麗之滑稽，皆足以破人我之見，去利害得失之計較，則其所以陶養性靈，使之日進於高尚者，固已足矣。」蔡元培的觀點，是捨宗教而易之以純粹的美育，或者說，把美育從宗教中解放出來。

換言之，美育有代替宗教美術功能的作用。宗教人士或以為其意在以美育取代宗教，而不予認同。蔡元培在1930年商務印書館出版的《教育大辭書》中提到美育時說：「美育者，應用美學之理論於教育，以陶養感情為目的者也。人生不外乎意志，人與人互相關係，莫大乎行為，故教育之目的，在使人人有適當之行為，即以德育為中心是也。……所以美育者，與智育相輔而行，以圖德育之完成者也。」

在《美育與人生》一文中，蔡元培指出「人人都有感情，而並非都有偉大而高尚的行為，這由於感情推動力的薄弱。」要轉弱為強，就有待陶養，陶養的作用，叫做美育。「所以吾人固不可不有一種普遍職業，以應利用厚生的需要；而於工作的餘暇，又不可不讀文學、聽音樂、參觀美術館，以謀知識與感情的調和，這樣，才算是認識人生的價值了。」

蔡元培又在《美育》一文中談到，美學的設備，可分為學校、家庭、社會三方面。學校課程中如遊戲、音樂、圖畫、手工等，本就是直接的美育，而其他語言與自然、歷史之課程，亦多足以引起美感。例如地理學上各方的名勝，歷史學上各時代偉大與都雅的人物及其事跡，無不於智育作用中含有美育的元素。家庭居室方面，不問華貴和質素，「其最必要而為人人所能行者，清潔與整齊」。社會的改良，以市鄉為立足點，設動物園、美術館、歷史博物館、民族學博物館、音樂院、劇院、電影院。「每年遇國慶日，或本市本鄉之紀念日，則於正式祝典以外，並可有市民極端歡娛之表示，然亦有一種不能越過之制限，蓋文明人無論何時，總不容有無意識之舉動也。」結語強調：「美育之道，不達到市鄉悉為美化，則雖學校、家庭盡力推行，而其所受環境之惡影響，終為阻力。故不可不以美化市鄉為最重要之工作也。」

對於美學，蔡元培自己是身體力行的。1921年10月的新學期開始，他在北京大學講授美學課程。1924年蔡元培一家人在法國，夫人周峻進巴黎美術專科學校學習，女兒蔡威廉則進里昂美術專科學校學習。留法學生劉既漂、林風眠等籌辦旅歐中國美術展覽會，推舉蔡元培為名譽會長。同年，蔡元培還在法國斯太司埠舉行的中國美術講演會上發表演說。

1927年，蔡元培就任大學院院長，提出「使教育科學化、勞動化、藝術化」的教育方針，並與林風眠、楊杏佛、蕭友梅等提議創辦國立藝術大學。1931年他發表的《二十五年來中國之美育》一文，回顧了這方面的進展。

倡導美育之餘，蔡元培也熱衷於提攜美術家，中國現代美術史上的兩位名家——劉海粟與徐悲鴻都得力於蔡元培的輔助。劉海粟說蔡元培是他的恩師，是上海美專的精神領袖。蔡元培於提高科學質量、改革學制等方面，認真地承擔了上海美專校董會主席的職責。徐悲鴻則獲蔡元培聘任為北京大學書法研究會導師，此後他得以公費留學法國也是蔡元培為他爭取的機會。徐悲鴻回國後，蔡元培又舉薦他擔任北平藝術學院院長。由此可見，蔡元培由提倡美育到培養專才，一以貫之。