據周策縱《五四運動史》所記，“五四”前夕，蔡元培召見過北大學生領袖狄福鼎，明確告訴後者，他對學生的愛國舉動深表同情。
五四學潮，鬧出的動靜的確很大。十二校學生出於愛國赤誠，不僅打傷了被指斥為賣國賊的駐日公使章宗祥，還縱火焚毀了同屬親日派的交通總長兼交通銀行總理曹汝霖的豪宅（趙家樓）。此次學潮，北大學生是理所當然的先鋒和主力，被捕者也是多數，三十二人中占去二十人。北京大學生的愛國正義之舉立刻博得了全國輿論的廣泛同情和支持。蔡元培毫不畏懼軍閥政府的淫威，聯合學界進步人士，極力營救被捕學生，三位重量級人物汪大燮（前國務總理）、王寵惠（前司法總長）、林長民（前司法總長）也聯名具呈警察總監吳炳湘，自願充當被捕學生的保釋人，以為“國民為國，激成過舉，其情可哀”。眾多長者的努力總算沒有白費，愛國學生於5月7日脫身囹圄，重獲自由。
當時，外間傳言滿天飛，最聳人聽聞者有二，其一是總統徐世昌要嚴辦北大校長，安福係軍閥甚至懸紅要刺殺蔡元培；其二是盛傳陸軍次長徐樹錚已命令軍隊把大炮架在景山上，將炮口對準北大。不管傳言是否可信，形勢總是咄咄逼人。1919年5月9日，蔡元培深夜出京，報上登出他的辭職公告，引用《白虎通》中的話，詞頗隱晦：“我倦矣！‘殺君馬者道旁兒’，‘民亦勞止，汔[qì，差不多]可小休’。我欲小休矣。北京大學校長之職，已正式辭去。其他向有關係之各學校，各集會，自五月九日起，一切脫離關係。特此聲明，唯知我者諒之。”這段話值得細細玩味。所謂“殺君馬者道旁兒”，就是說那些在路邊吆喝的人能讓騎手忘乎所以地狂奔，最終必然累死坐騎才肯罷休。蔡元培已經意識到，五四學潮正迅速向全國蔓延，其勢難控，那些想推舉他做領袖的人何嚐不是大聲吆喝的路旁兒，“馬”就是北大。他若再狂奔下去，馬就必死無疑。所以他要悄然離京，為北大留下喘息之機。
蔡元培的辭職非同小可，引起全國學林的關注，都想了解他辭職的真實原因。天津的《大公報》為釋眾人之疑惑，刊出《由天津車站南下時的談話》，透露了蔡元培辭職的內幕消息。一位朋友問蔡元培何以堅決辭職，蔡元培說：“我不得不然。當北京學生示威運動之後，即有人頻頻來告，謂政府方麵之觀察，於四日之舉，全在於蔡，蔡某不去，難猶未已。於是有焚燒大學、暗殺校長之計劃。我雖聞之，猶不以為意也。八日午後，有一平日素有交誼、而與政府接近之人又致一警告，謂：君何以尚不出京！豈不聞焚燒大學、暗殺校長等消息乎？我曰：誠聞之，然我以為此等不過反對黨恫嚇之詞，可置不理也。其人曰：不然，君不去，將大不利於學生。在政府方麵，以為君一去，則學生實無能為，故此時以去君為第一義。君不聞此案已送檢察廳，明日即將傳訊乎？彼等決定，如君不去，則將嚴辦此等學生，以陷君於極痛心之境，終不能不去。如君早去，則彼等料學生當無能為，將表示寬大之意敷衍之，或者不複追究也。我聞此語大有理。好在辭呈早已預備，故即於是晚分頭送去，而明晨速即離校，以保全此等無辜之學生。我尚有一消息適忘告君。八日午後，尚有見告政府已決定更換北京大學校長，繼任者為馬君其昶。我想再不辭職，倘政府迫不及待，先下一免職令，我一人之不體麵猶為小事，而學生或不免起一騷動。我之急於提出辭呈，此亦一旁因也。今我既自行辭職，而繼任者又為年高德劭之馬君，學生又何所歉然，而必起騷動乎。我之此去，一麵保全學生，一麵又不令政府為難，如此始可保全大學，在我可謂心安理得矣。”
如果說報紙上的文字難免失真，蔡元培於5月10日寫給學生的公開信則字字出自肺腑：“仆深信諸君本月四日之舉，純出於愛國之熱誠。仆亦國民之一，豈有不滿於諸君之理。唯在校言校，為國立大學校長者，當然引咎辭職。仆所以不於五日提出辭呈者，以有少數學生被拘警署，不得不立於校長之地位，以為之盡力也。今幸得教育總長、警察總監之主持，及他校校長之援助，被拘諸生，均經保釋，仆所能盡之責，止於此矣。如不辭職，更待何時？至一麵提出辭呈，一麵出京，且不以行蹤告人者，所以避挽留之虛套，而促繼任者之早於發表，無他意也。北京大學之教授會，已有成效，教務處亦已組成，校長一人之去留，決無妨於校務，唯恐諸君或不見諒，以為仆之去職，有不滿於諸君之意，故特在途中，匆促書此，以求諒於諸君。”從這封信，我們不難看出，蔡元培勇於負責，頗有大局觀和全局觀，他悄然離京，是為了事態能盡快得到緩和，使各方趨於冷靜，也是對北洋軍閥發出抗議，表明其不合作的嚴正立場。
時隔多年，蔡元培作回憶文章《我在北京大學的經曆》，把他當年辭職的原因做了更清晰的梳理：“……但被拘的雖已保釋，而學生尚抱再接再厲的決心，政府亦且持不做不休的態度。都中宣傳政府將明令免我職而以馬其昶君任北大校長，我恐若因此增加學生對於政府的糾紛，我個人且將有運動學生保持地位之嫌疑，不可以不速去。”蔡元培的苦衷由此可見分明。個人的名利得失皆服從於大局的需要，這就是蔡先生的一貫作風。
為了挽留蔡元培，教育界極為齊心，不僅北大八教授去教育部請願，而且北京各高校校長提出總辭職，連教育部長傅增湘也掛冠而去。軍閥固然強悍野蠻，眼下見勢不妙，隻得讓步。總統徐世昌老奸巨猾，但眾怒難犯，他智窮力絀，別無良策，趕緊下令慰留蔡元培。然而蔡元培去意甚決，他於6月15日發表聲明，措辭激烈：一、北京大學校長是簡任職，是半官僚性質的，所以他絕對不能再做政府任命的校長；二、思想自由，是世界大學的通例，但北京大學卻被強權幹涉，所以他絕對不能再做不自由的大學校長；三、北京是個臭蟲窠，無論何等高尚的事業，一到北京，便都染了點臭蟲的氣味，所以他絕對不能再到北京的學校任校長。一篇宣言，三個“絕對”，要讓蔡元培回心轉意，難度就大了。
當年，在北大，有幾隻著名的“兔子”，蔡元培，陳獨秀，胡適，劉半農，四人都屬兔，被人稱為“兔子黨”。完全可以這麼推論，假若陳獨秀、胡適先生隻有《新青年》這個作戰的堡壘，缺少北大這個講學的營盤，沒有北大教授這個堂堂正正的身份，新文化運動就不可能具有高屋建瓴之勢，不可能收獲摧枯拉朽之功。假若蔡元培不崇尚法國大革命的精神，不主張學術自由，不倡導“讀書不忘愛國”，五四運動就不會轟轟烈烈地開展起來。這個推論可算有理有據。
蔡元培頗有先見之明，不愧為大智者，從一開始，他就對學生運動的後果憂心忡忡。蔣夢麟在回憶錄《西潮·新潮》中寫道：“他從來無意鼓勵學生鬧學潮，但是學生們示威遊行，反對接受凡爾賽和約中有關山東問題的條款，那是出乎愛國熱情，實在無可厚非。至於北京大學，他認為今後將不容易維持紀律，因為學生們很可能為勝利而陶醉。他們既然嚐到權力的滋味，以後他們的欲望恐怕難以滿足了。”
五四運動後，北大學生對於政治過分熱心，對於權力愈益迷戀，蔡元培針對這一不良苗頭，倡導“救國不忘讀書”，予以矯正。他不讚成二十歲以下的學生走上街頭參與政治活動，不喜歡在大學校園裏政治氣息濃過學術氛圍。然而五四運動之後，北大學生身上的政治標簽日益彰顯，最終完全走到了蔡元培願望的反麵去，他對此也無可奈何。
五四運動促使中國人解放了被縛的普羅米修斯，也誘使中國人開啟了潘多拉匣子（古希臘神話中的魔匣，善惡俱在其中）。是非功罪，迄今爭議不休，尚無定論。隻有一點是確定無疑的，蔡元培領導的北大成為了中國學術界的重鎮，也成為了國共兩黨的人才基地。
1920年4月，蔡元培在《新青年》上發表《洪水與猛獸》一文，指出洪水（新思潮）自有洪水的好處，就看誰能疏導它；猛獸（軍閥）自有猛獸的可怕，就看誰能馴服它。這篇短文隻有六百餘字，擺事實，講道理，令人信服。蔡先生巧妙地將了保守派一軍：
二千二百年前，中國有個哲學家孟軻，他說國家的曆史常是“一亂一治”的。他說第一次大亂是四千二百年前的洪水，第二次大亂是三千年前的猛獸，後來說到他那時候的大亂，是楊朱、墨翟的學說。他又把自己的距楊、墨比較禹的抑洪水、周公的驅猛獸。所以崇奉他的人，就說楊、墨之害，甚於洪水猛獸。後來一個學者，要是攻擊別種學說，總是襲用“甚於洪水猛獸”這句話。譬如唐、宋儒家，攻擊佛、老，用他；清朝程朱派，攻擊陸王派，也用他；現在舊派攻擊新派，也用他。
我以為用洪水來比新思潮，很有幾分相像。他的來勢很勇猛，把舊日的習慣衝破了，總有一部分的人感受苦痛；仿佛水源太旺，舊有的河槽，不能容受他，就泛濫岸上，把田廬都掃蕩了。對付洪水，要是如鯀的用湮法，便愈湮愈決，不可收拾。所以禹改用導法，這些水歸了江河，不但無害，反有灌溉之利了。對付新思潮，也要舍湮法用導法，讓他自由發展，定是有利無害的。孟氏稱“禹之治水，行其所無事”，這正是舊派對付新派的好方法。
至於猛獸，恰好作軍閥的寫照。孟氏引公明儀的話：“庖有肥肉，廄有肥馬，民有饑色，野有餓殍，此率獸而食人也。”
現在軍閥的要人，都有幾百萬幾千萬的家產，奢侈的了不得，別種好好作工的人，窮的餓死；這不是率獸食人的樣子麼？現在天津、北京的軍人，受了要人的指使，亂打愛國的青年，豈不明明是猛獸的派頭麼？
所以中國現在的狀況，可算是洪水與猛獸競爭。要是有人能把猛獸馴服了，來幫同疏導洪水，那中國就立刻太平了。
在亂世，洪水不易疏導，猛獸也不易馴服，洪水泛濫，猛獸食人，總歸是常態，太平的願景不易成為現實。
1923年初，為抗議北洋軍閥政府任命“早已見惡於國人”的政客彭允彝為教育總長，蔡元培發表《不合作宣言》，隨即辭去北大校長一職，他在辭呈中剖白心跡：“元培目擊時艱，痛心於政治清明之無望，不忍為同流合汙之苟安，萬不忍於此種教育當局之下支持教育殘局，以招國人與天良之譴責！”這次辭職，不同於上次，蔡元培確實去意已決。同年7月，他攜新婚妻子周峻前往歐洲旅行和考察。1926年6月，蔡元培回國後不久，即在上海致電國務院，永久辭去北大校長一辭。翌年，國民政府成立，蔡元培出任大學院院長，其北大校長的名義才正式取消，他與北大的十年半緣分至此完結。
可以這麼說：蔡元培成就了北大，使之成為名副其實的最高學府；北大也成就了蔡元培，使之成為德高望重的教育領袖。二者雙贏，相得益彰。