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广西巡抚李经羲升任云贵总督后不久，奏调蔡入滇，委充第卅七协协统，辖下的两位标统是丁锦和罗佩金、管带唐继尧、刘存厚、雷飚、谢汝翼、刘云峰、韩凤楼、李鸿祥等，这些人后来都是辛亥云南起义以及民国4年12月护国起义的显赫人物。
昆明是个美丽的城市，四季如春，风景如画。蔡利用这段时间完成一本著名的兵书，是搜辑曾国藩和胡林翼的治兵论，分为将材、用人、尚志、诚实、勇毅、严明、公明、仁爱、勤勇、和辑、兵机、战守等12章 ，订名为《曾胡治兵语录》。这本语录，后来于民国13年10月蒋中正办黄埔军校时，特为刊印，并亲撰言，序言节要如下：
太平天国之战争为十九世纪东方光荣之第一大战，太平天国之历史为十九世纪东方第一光荣之历史；而其政治组织与经济设施则尤足称焉！……
夫清朝之所以中兴，太平天国之所以失败者，盖非人才消长之故，而实德业隆替之征也。彼洪、杨、石、李、陈、韦之才略，岂不能比拟于曾、胡、左、李之清臣，然而曾氏标榜道德，力体躬行以为一世倡，其结果竟能变易风俗，挽回颓靡。吾姑不问其当时应变之手段，思想之新旧，成败之过程如何？而其苦心毅力，自立立人，自达达人之道，盖已足为吾人之师矣。
余读曾、胡诸集既毕，正欲先摘其言行，可以为后世圭臬者成为一书以飨同志，而留纂太平天国战史于将来，不意松坡先得吾心 ，纂集此治兵语录一书。
愿本校同志人各一编，则将来治军治国均有所本矣。……”
蔡锷是于宣统三年（1911年）二月抵达昆明，这年的农历九月初五日武昌起义，起义成功的消息传到云南后的第三天，蔡秘密约集同志刘云峰、刘存厚、唐继尧、韩凤楼、沈汪度、殷承献、雷飚、黄永社等计划响应，预定于十二日发动，推蔡为总指挥，以新军为骨干。不断事机泄漏，初九日云南总督衙门的总文案熊范舆、刘显冶把新军不稳的消息密告李经羲和统制钟麟，李、钟会商后拟下令解散新军以杜绝乱源。蔡等知道事机迫切，千钧一发，遂约同李根源率讲武堂学生自西北攻城，蔡自己率卅七协一部分攻东南门。
蔡是个有中国传统道德的军人，他深感李经羲对他恩深义厚，不忍迫以炮火，所以在发动攻势的同时，即函请熊范舆火速请李经羲迁赴法国领馆避难。第二天革命军攻占了昆明全城 ，军政学商各界集会公推蔡为“大汉军政府云南都督”，设都督府于昆明城内的五华山，都督府下设军政部、参政部、军务部。云南本赖中央协饷，云南独立，协饷来源断绝，所以革命政府成立后，第一要务是财政上的节约，蔡自定都督月律60元。都督府全体官兵月饷3300余元，并设立富滇银行以维持金融。十六日蔡特派雷飚和彭新民礼送李经羲出滇。派谢汝冀和李鸿祥率师赴四川，迫川督赵尔丰独立；
令罗佩金、康恩肠率一军南征；令李根源率一军西巡。
贵州反正后，有公口之乱，黔绅任可澄、刘显世、戴戡等电请云南支援，蔡锷乃派唐继尧率兵赴黔平乱。
民国元年蔡正式担任云南都督，这年他才31岁，一切治滇的规模都非常有条不紊，10月间他在昆明娶了一位如夫人潘氏。
民国2年倒袁的二次革命失败，袁世凯的北洋势力扩向西南，不过北洋势力对云南始终有鞭长莫及之感。袁对蔡非常疑忌，当北洋势力向西南扩充时，袁就电邀蔡赴北京，如果蔡不答允，袁很可能即对云南用兵。以当时的形势而论，蔡无力可抗袁，因此只好接受袁的命令，电请以贵州都督唐继尧任运动都督兼民政长，唐未到任前以第一师师长谢汝翼代都督，以第二师师长李鸿祥代民政长。
民国2年8月12日蔡锷离滇，滇人依依不舍。蔡锷偕修承浩、何鹏翔、雷飚北上，取道北越，河内的法国总督康德设盛筵款待。袁世凯派代表范熙绩在上海欢迎。10月4日抵北京，袁立即发表蔡为陆军部编译处副总裁，总裁是段祺瑞。
11月袁又派蔡为政治会议议员，李经羲为议长。3年5月北京参政院成立，袁又派蔡为参政院参政，6月派蔡为将军府昭威将军。
在筹安会成立前，杨度几乎天天都到棉花胡同去访问蔡锷，敦劝蔡加入筹安会为发起人之一，可是蔡总顾左右而言他。筹安会成立的第二天，进步党人徐佛苏、袁思亮跑去杨那儿说：“这么重大的问题，为什么不让任公（梁启超的别号）参加？”杨于是请汤觉顿、蹇念益二人到天津游说梁，这时梁正写好了《异哉所谓国体问题》一文，汤、蹇两人一看这篇文章，简直是一枚炸弹，吓得脸都变了色，梁托他们带封信给杨，有“吾人政见不同，今后各行其是，不敢以私废公，但亦不必以公害私。”又有给袁的信是：“愿我大总统以一身开中国之新纪元，不愿我大总统以一身作过去旧奸雄之结局。愿我大总统之荣誉与中国以俱长，不愿中国之历数随我大总统而同斩。”
就是这一天，梁的高足蔡锷由北京专程到天津来访梁，师生二人促膝密谈，决定要以行动反对帝制。蔡曾慨然说：眼看着不久便有盈千累万的人要颂王莽功德，上劝进表了，老袁要是安然登大宝，叫世界各国看着中国人是什么东西呢？我们力量虽然有限，但为四万万人争人格起见，非拼着命去干一下不可。”
蔡在北京，一直被袁监视，他怎可随便离京赴津呢？原来他这趟赴天津是杨度促请他，杨请蔡以师生之谊去劝梁不要反对帝制，杨一直被蒙骗，认为蔡不反对帝制。蔡由津返京后，把梁谈话的经过编了一套，结论是梁反对帝制的意思很坚决，人各有志，不能相强。
蔡为了避免袁党的注意，乃扮演“诈降”，因为梁公开反对帝制，蔡的处境自然很为难，蔡为了使袁对他不怀疑忌，因此在4年8月25日云南会馆将校联欢会发起军界请愿改行帝制时，第一个提笔签名，以示拥护帝制。还不止此，为了使袁党认为蔡已无所作为，蔡每天都和杨度等在八大胡同征歌逐舞，诗酒风流，他选中云吉班的小凤仙，两人打得火热。由于蔡每天都往云吉班，使得蔡的夫人很不开心，两人曾为此争吵得很厉害。
这一切都是演戏，蔡在醇酒美人的幕后，正不动声色地布置军事讨袁步骤，他电召卸任不久的贵州巡按使戴戡到北京来，戴是贵州人，原名桂龄，字锡九，后改名戡，字循若，曾在日本习手工业，回国后在河南法政学校担任庶务，后到云南获交唐继尧。辛亥年唐任贵州都督，戴任实业司长，不久升任贵州巡按使，交卸后到北京任参政。10月间戴戡和王伯群同到北京，成为蔡和云南将领间秘密联系的居间人。蔡派王伯群携密函前往昆明。王伯群动身前曾和戴戡、陈启铭等穿着大礼服共摄一影，且题：“不成功即成仁”字句。
蔡锷的反袁安排中，邀戴戡到天津和北京是重要的一幕，蔡、戴和梁启超共商讨袁计划，拟定于袁称帝时，云南首先宣布独立，贵州则俟一月后响应，广西则俟两月后响应，然后以云南之力下四川，以广西之力下广东，三四个月后会师武昌，底定中原，同时并派彭新民赴桂，毕厚赴粤，赵恒惕、陈复初赴湘。赵恒惕因二次革命被袁世凯命令湖南查办使汤芗铭拿解至北京陆军部监禁，民国3年12月，蔡在北京联合陈宦保释赵、陈两人。
蔡锷这时自己扮演两个角色，其一是假意和老师梁启超各行其是；其二是大隐花丛，与小凤仙打得火热。然而暗中他却积极部署倒袁的军事，除了戴戡成为他和云贵两省的中间连络人而外，他同时和流亡东京的国民党人取得联系。
袁虽迷惑于蔡锷的假戏真做，但却仍不放心。4年10月14日的清早，北京棉花胡同的蔡宅门口，突然人声嘈杂，蔡这时刚刚起床，门口一个操天津口音的刘排长，推门闯入，厉声说，“检查！”蔡家的看门人挡不住这些如狼似虎的兵士，大声嚷着说：“这里是蔡将军的公馆，你们检查谁呀？”刘排长气势甚盛，一掌把看门的推在地上，呼喝说：“管你什么菜将军饭将军，我们是奉上头命令。兄弟们，快搜！”于是大伙一拥而入，在每个房间倾箱倒箧，结果除了破书若干卷而外，连衣服都没有两套，至于可疑的文件甚至所谓的违禁品自然也没有了。这些凶猛的鹰犬一无所获，带着失望的神情，悻悻而去。
蔡见到这些来人，一看便知是袁的特务机关——军警执法处派来的，知道不可理喻，待他们搜查无着而去后，立即打电话找执法处处长雷震春，接电话的人回答：“处长尚未起床。”蔡真气极了，留话对方，请雷起床后复一个电话，于是闷坐家中，等待雷的电话。傍晚时候，雷才有电话来，蔡把早晨军人无理搜宅的经过告诉了雷，雷连声说：“岂有此理，岂有此理，太胡闹了，一定是误会，请原谅！”
雷震春就用误会二字搪塞过去。后来雷向蔡解释这场误会引起的原因是这样的：蔡的住宅原来是天津大盐商何仲璟的产业，由何的亲戚姓福的代为管理。何仲璟和袁世凯是亲家，袁的第四儿媳是何仲璟的侄女，慈禧死时袁避祸天津，即住何家。搜宅的刘排长原是何家的旧仆。宣统三年何仲璟在天津欠下外国商人一笔巨款，闹得几乎要破产，何的姨太太派刘某携带珠宝细软到北京寄存这所住宅的主人福家，事隔多年，何死了，何的姨太太也不知去向，刘某从军到排长，这笔财产的来龙去脉，只有刘排长知道得最清楚，于是带兵到西城棉花胡同的福家大事搜查，他不知福家早已搬家，现在住的是蔡将军，因此发生了这一幕闹剧。
这种解释实在不能令人满意，何仲璟既然是袁的亲家，而且何的兄弟何颐臣仍然活着，刘排长怎敢在老虎口中找肉吃。
雷震春所说的刘排长，后来如何结果，不得而知；10月17日因闯入蔡公馆而被绑赴西郊土地庙执行枪决的犯人，其罪状上的姓名则是吴宝洌А�
这件事发生后，对蔡来说是好的，因为在蔡宅什么东西也搜不到，使袁对蔡便放松了监视。
蔡从北京脱走是一幕极生动而戏剧化的故事，由于他自己对这一幕没有正式的记述，后人所传言人人殊，每一种说法都极动人，但都是不确的。现在把几种说法都抄在下面：
其一：蔡有一天在私邸宴客，故意扬言要纳小凤仙为妾，蔡夫人亦在座，酒酣，夫人盛怒诟谇，揪蔡，两人欧斗及于户外，遂共议离婚。夫人索取衣饰和财物，搬往天津居住。蔡则独居北京，更形放荡，大家都误认蔡是绔绔子弟。又过了几天，蔡将军与友人至长安酒楼，飞笺召小凤仙，酒酣，蔡大呼腹痛，遂入厕所“尿遁”。客人以为蔡醉酒返家，至天明，监视蔡的人发现蔡未归家，又不在小凤仙处，才知蔡已搭夜车去天津了。
其二：哈汉章为父母祝寿，蔡往祝贺，参加省战，战至通宵，天亮7时始结束，蔡大败。于是蔡由哈宅侧门出，直入新华宫。袁所派的监视人员在哈宅彻夜未眠，见蔡拖着阑珊的步子入宫，不虞有他，乃小寐传达处。蔡在办公室稍作勾留，暗窥监视人皆已入睡，遂自政事堂出西宛门，乔装人力车夫，径奔火车站，买了一张三等车票，溷迹三等车厢中，安然逃抵天津。
其二：蔡从10月下旬起，就经常称病假不去办公，不久借着一个和小凤仙乘车出游的机会，溜到了东车站。梁启超早已派人曹福买了两张三等车票在车站等着，直到蔡上了车，曹福把一张车票偷偷地塞在蔡手中，两人在车上装作互不认识。
关于蔡在北京诗酒风流，纵情酒色，自是事实。但据说蔡除了小凤仙而外，还垂青于另一雏伶，小妮子髫龄玉貌，楚楚可人，但不久即名花有主，当然是为一位有势力有钱财的人攫去，蔡赠之以诗：
弱柳难听莺度曲，
枯桐传说凤辞巢，
剧怜豪竹哀照里，
断送韶华四十年。
比较接近事实的一幕是这样的：蔡有两位夫人，刘氏和潘氏，刘氏侠贞是武冈人，蔡才八岁刘就来蔡家作童养媳。民国元年蔡31岁任云南都督，10月间纳潘氏为侧室。蔡由云南内调北京，即偕潘氏同行，一年后才迎太夫人和刘氏到北京。
潘氏夫人于3年6月27日（阴历五月初五日）在北京生下长男昆，因为是端午出世，所以号叫端生。棉花胡同蔡宅被搜前，蔡的太夫人因住北京不耐寒冷，蔡乃令张介寿护送南归王板桥。蔡宅被搜后乃令刘氏夫人携子南归侍母。11月间蔡亦借病为名入住天津的共和医院。洪宪帝制正在密锣紧鼓时，蔡还在天津日本共和医院诊病，11月底袁特派人到天津来探视蔡的病况，同时加紧派遣特务监视蔡。蔡为了化除袁的疑�