1904年毕业回国，先后在湖南、广西、云南等省教练新军。1911年初调云南，任新军第十九镇第三十七协协统。10月30日与革命党人李根源等在昆明领导新军响应，蔡被推为临时革命总司令。旋成立云南军政府，任都督。并派唐继尧进军贵州，由唐接任贵州都督。
后为矫正军人干政时弊，自请解职。1913年被袁世凯调至北京，加以笼络与监视。1915年袁世凯称帝，他由北京潜回云南，与唐继尧等人于12月25日宣布云南独立，组织护国军，发动护国战争。蔡任护国军第一军总司令。
1916年春率部在四川纳溪、泸州一带击败优势袁军，迫袁取消帝制。袁死后蔡任四川督军兼省长。1916年8月经上海去日本治病，11月8日病逝于福冈。遗体由日本运回，葬于长沙上。遗著编为《蔡松坡集》（《蔡松坡先生遗集》）。
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