大力提倡美育，是蔡元培教育思想的一個重要特點。他認為：“教育的方麵，雖也很多；他的內容，不外乎科學與美術”。“文化進步的國民，既然實施科學教育，尤要普及美術教育”。他把美育作為德育的一個不可分割的部分，並且為了強調美育的重要，又把它和德、智、體諸育並列而稱之為“四育”，認為這是培育“健全的人格”所不可偏廢的。
早在辛亥革命前，蔡元培在德國留學時，於萊比錫大學“講堂上既常聽美學、美術史、文學史的課，於環境上又常受音樂、美術的薰習，不知不覺的漸集中心力子美學方麵。尤因馮德講哲學史時，提出康德關於美學的見解，最注意於美的超越性與普遍性。就康德原書，詳細研讀，益見美學關係的重要。”他是我國留學生中第一個注重於學習和研究美感教育的，也是國內較係統地研究和介紹西方美學的一位重要學者。在1928年舒新城編的《近代中國教育思想史》一書中，則稱他是中國近代教育史上提倡美感教育的“唯一的中堅人物”。給予了很高的評價。1912年蔡元培出任民國首任教育總長時，就提出把美感教育作為國民教育的五大宗旨之一，“皆今日之教育所不可偏廢者也。”他強調“提出美育，因為美感是普遍性，可以破人我彼此的偏見；美學是超越性，可以破生死利害的顧忌，在教育上應特別注重”。而美育一詞，也是蔡元培在這時由德文As the tische Erziehung意譯出的，並為教育界所認同。從而，使美育成為學校教育的一個不可或缺的方麵，加以推廣。
蔡元培把美育又稱作美感教育，是要通過美感教育，激發、陶冶和完美人們的高尚感情，達到美與善的和諧的統一。他曾對美育及其作用作了這樣的解釋：“人人都有感情，而並非都有偉大而高尚的行為，這是由於感情推動力的薄弱。要轉弱而為強，轉薄而為厚，有待於陶養。陶養的工具，為美的對象；陶養的作用，叫作美育”。他對學校中實行美育的重視，是因為他認為通過美育可以培養學生高尚的道德，即以純粹的美育，陶冶人們的感情，使之有高尚純潔的情操。他曾用“超功利”的美學觀點，試圖說明通過美育，能夠使人們達到這樣一種超脫現實的精神境界：即“提起一種超越利害的興趣，融合一種劃分人我的僻見，保持一種永久平和的心境”。在階級社會的現實中，這自然隻是一種夢幻；但如果脫去這種唯心主義的神秘外衣，那麼，具有潛移默化作用的美感教育，卻確是能夠培養學生高尚的情操，如蔡元培所說不因“見小利，急近功”而“失節墮行”，不因幾次挫折而頹廢以至厭世，使人具有遠大的抱負和進取的精神。其次，他認為美育也是促進科學發展的一種原動力。蔡元培主張科學與美術並重，認為兩者同為新教育之要綱，這就是說，智育和美育應是相互滲透，相互補充和相互推進的。他曾以“要透徹複雜的真相，應研究科學；要鼓勵實行的興會，應利用美術”。來說明科學和美術之間的關係。他以為人們具備了上述高尚的思想情操，即健全的世界觀和人生觀，就能夠有探求的精神，百折不撓的意誌。這正如他所說的“有了美術的興趣，不但覺得人生很有意義，很有價值；就是治科學的時候，也一定添了勇敢活潑的精神”。同時，他還認為美育可以革除人們的不良習俗，給人以正當有益的娛樂，以提起治學的興會。他說：“常常看見專治科學，不兼涉美術的人，難免有蕭索無聊的狀態”。這使有些人借低劣的娛樂作消遣，有些人甚至產生厭世的思想，他們“不但對於自己毫無生趣，對於社會毫無愛情；就是對於所治的科學，也不過‘依樣畫葫蘆’，決沒有創造精神”。總之，蔡元培熱切希望國家富強，使中國“參加於世界學術之林”，因而他要通過美育培養學生具有創業的誌向、冒險的精神和始終如一的事業心。
蔡元培對美育的重視，也是在貫徹他的“以美育代宗教”的思想。以美育代宗教，是蔡元培美育思想和教育思想的一個重要方麵，也是他針對封建迷信觀念和帝國主義利用宗教進行侵略活動而提出的一項進步主張。
1916年12月11日，蔡元培在江蘇省教育會的演說中，就針對當時甚囂一時的“以孔教為國教”的謬說，提出“宗教為野蠻民族所有，今日科學發達，宗教亦無所施其技，而美術實可代宗教”的看法。1917年8月1日，他在北京神州學會發表的講演中，正式提出了“以美育代宗教”的主張，他在講演中從人類曆史的發展，指出宗教是，人類蒙昧時代的產物。“迨後社會文化日漸進步，科學發達，學者遂舉古人所謂不可思議者，皆一一解釋之以科學”。他認為“無論何等宗教，無不有擴張己教，攻擊異教之條件”。他特別指出一些宗教家“甚至為護法起見，不惜於共和時代附和帝製”，即以“宗教為之累”的明顯例證。他反複強調美育的重要功能就是陶養人的高尚情感，如果美育和人的情感都依附於宗教，就會受到它的毒害。他說：“美育之附麗宗教者，常受宗教所係，失之陶養之作用，而轉以激刺感情”，“產生偏狹性，誤人深矣。”他指出：“鑒激刺感情之弊，而專尚陶養感情之術，則莫如舍宗教而易以純粹之美育”。蔡元培除了為反對宗教愚昧和發揚科學而提倡美育外，還特別針對當時複古派要組織孔教的企圖，明確表示反對以任何宗教形式對人們思想的束縛。這些都反映了察元培要求解放思想，發展個性的民主精神。
1922年前後，在上海由一些教會學校出身的人發起了一個所謂“基督教學生運動”，並在北京設立臨時全國總部。這個運動的發起，按他們自己的說法，是因為“五四以後一般天真的莘莘學子多被卷入了戰爭的漩渦，有的更中了馬列邪說之毒，時鬧學潮，走入歧途。”他們表示要“以基督化品格的青年”，“去改造社會風氣”。其反動政治目的是十分顯然的。他們和國際帝國主義文化侵略勢力相勾結，決定於1922年在北京清華大學召開世界基督教學生同盟第十三次大會。蔡元培對宗教勢力插足學校深不以為然，他曾就此事提出：“今年忽然有一個世界基督教學生同盟，要在中國的清華學校開會。為什麼這些學生，願意帶上一個基督教的頭銜？為什麼清華學校願給一個宗教同盟作會場？是大不可解”。這首先引起上海進步青年的反對，組織了“非基督教學生同盟”。接著，北大馬克思學說研究會也決定以會員個人名義發起非宗教運動，於是北大等一些學校學生和各界人士聯合組織了“非宗教同盟”。這次非宗教運動在社會上引起了很大的反響，蔡元培等一些社會名流也加入了這個組織，並與汪精衛等三十餘人被推舉為同盟幹事。