袁世凯死后，按照中华民国临时约法，黎元洪继位当上了大总统，以段祺瑞为国务卿组织新内阁。此时的中国大地上，军阀各据一方，拥兵自重。蔡锷早就敏锐地预见到，袁世凯死后“争权夺利者，必蜂拥而出”，所以，他于1916年6月9日致电北京政府各省都督，呼吁他们搁置成见，“收束兵事，保故治安，维持财政”。声明自己俟（Sì）局势稍一稳定，将“抽身引退，或避居山林，或游海外”，“终身为一太平百姓”，表现了他洁身自好、正直高尚的气节。这种不为个人谋权夺利的精神，令人钦佩。梁启超认为这是蔡锷“所以与今之军人异者”。
唐继尧与蔡锷的态度截然不同，在护国战争实际上已经结束之后，他却仍借护国之名，大肆扩军，并加紧了派兵出省的部署。显然，唐继尧打算利用护国战争胜利的机会，扩大自己的地盘，实现占领四川的野心。蔡锷对唐继尧的目的看得很清楚，因此他在6月下旬接受四川陈宦的求援，派兵赴成都帮助消灭袁世凯在四川的余孽周骏部，接着致电梁启超，要求按照军务院第十条宣言，撤消护国军军务院，力图遏制唐继尧的军事图谋。
为了缓和南北矛盾，段祺瑞政府于6月24日发布命令，委任蔡锷为益武将军，督理四川军务。其实，段祺瑞欲以高官显爵笼络蔡锷，实在完全看错了这位为国为民，视爵禄为敝屣的护国将军。战争结束之后，蔡锷的喉病日益加剧，亟需静养。他常常驾舟沿着永宁河缓缓而行，川南的大好景色使他胸怀激荡，写下了著名的《护国岩铭》：
护国之要，惟铁与血。精诚所至，金石为裂。
嗟彼袁逆，炎隆耀赫。曾几何时，光沉响绝。
天厌凶残，人诛秽德。叙泸之役，鬼泣神号。
出奇制胜，士勇兵骁。鏖战匝月，逆锋大挠。
河山永定，凯歌声高。勒铭危石，以励同胞。
后来，蔡锷命人将此铭刻于永宁河畔的一块巨石上，作为对护国军的纪念，以激励后人。
7月6日，北京政府又委任蔡锷为四川督军兼省长，成都人民听到这个消息，急切地恳求蔡锷西上成都。此时，蔡锷正在泸州治病，由于从重庆赶来的德国医生误诊和用药不当，蔡锷的病情陡然加重，不但声音嘶哑、喉部剧痛，而且又开始不规则地发烧，身体越来越虚弱。7月29日，蔡锷乘轿从泸州抵达成都，数万老百姓到40里外的地方夹道欢迎，都想一睹这位护国英雄的风采。全城悬挂国旗，场面十分壮观。蔡锷目睹这个激动人心的场面，声音却一点也发不出来。
四川自古号称天府之国，土地肥沃，物产丰富，人口众多，地势险要。但由于连年战事不断，元气大伤，已经变得满目疮痍，百姓穷困。蔡锷到成都后，很希望能够迅速处理好善后问题，有所作为，然后再请假养病。蔡锷在成都的10天里，大刀阔斧，整顿了在四川的军队，统一财政收支，制订军队、官吏奖惩条例等。他曾经设想在两三年内，以雷霆万钧之力，根除积弊，推行便民养民政策，振兴四川的经济和实力。但是，他的身体却不允许这样，他的病情在成都经过检查之后，确诊为喉头结核，而四川没有良好的医疗设备和药品，四川的气候也不利于治疗。如不尽早离川医治，病情会越来越恶化。
由于病情已经恶化到无法再进行工作，蔡锷只好请求北京政府准予辞职治病，在到成都10天后，蔡锷终于不得不离开成都。在蔡锷离去的那一天，成都人民怀着依依不舍的心情涌向街头，有人甚至烧着香、拦着路不让他离开。蔡锷被成都人民的深情厚意深深地感动了，他热泪盈眶，心中有千言万语，却只能请人代为致答谢词。他当时撰写的《告别蜀中父老文》，情词真切，动人心弦，为四川人民传诵一时，读者无不感泣。
蔡锷离开成都，在朱德家中休息了几天，然后从泸州改乘轮船，沿长江而下，于8月28日到达上海，与梁启超见面。这时蔡锷病情已经很严重，住在医院，虚弱得连两三步都走不了。黄兴获悉蔡锷到上海的消息，立即派儿子黄一鸥代表他前往迎接。9月9日，蔡锷东渡日本，住进福冈大学医院治疗。
10月31日，黄兴突然病逝于上海，蔡锷得知这一消息，悲痛欲绝，哀悼终日，拖着病情日益加重的身子，含着泪亲自写下了一副挽联：“以勇健开国，而宁静持身，贯彻实行，是能创作一生者；曾送我海上，忽哭君天涯，惊起挥泪，难为卧病九州人。”这副挽联，竟成了蔡锷绝笔。
1916年11月8日上午4时，年仅34岁的蔡锷因积劳成疾，医治无效，不幸病逝于日本福冈大学医院。这位咤叱一时的年轻将军临终前，想到的不是个人和家庭的私事，而是挂念着祖国的前途、人民的安危，他感慨地对身边的人说：“不死于对外作战，不死于疆场马革裹尸，而死于病室，不能为国家做更大的贡献，自觉死有余憾。”又口授随行人员写下了四点遗嘱并致电全国：（一）愿我人民、政府协力同心，采有希望之积极政策；（二）现在各派意见多乖，竞争权利，愿为民望者，以道德爱国；（三）此次在川阵亡及出力人员，垦饬（ch@）罗佩金、戴戡，核实呈请恤奖，以昭公允；（四）锷以短命，未能尽力民国，应为薄葬。
蔡锷逝世的噩耗传到国内，引起了全国人民的悲痛和哀悼。北京政府慑于舆论的压力，立即派驻日公使章宗祥前往治丧，决定追赠蔡锷为上将军，并举行国葬典礼。北京政府发出蔡锷的讣告后，北京设立了灵堂，前来吊唁的各界人士络绎不绝。梁启超闻噩耗后，心情十分悲痛，在上海与旅沪人士举行公祭，手撰祭文伤情至极。
1917年4月12日，蔡锷的国葬典礼在蔡锷的故乡湖南长沙举行，会场上充满了庄严、肃穆的气氛，许多知名人士送去了挽联，其中孙中山先生的挽联写道：“平生慷慨班都护，万里间关马伏波。”他以班超、马援这两个历史上智勇双全的名将作比喻对蔡锷的一生作了高度的评价和赞颂。
蔡锷的遗体葬于长沙岳麓山万寿寺之后山，北京政府随后又定12月25日为云南起义纪念日。
蔡锷所走过的光辉而短暂的一生，给我们留下了进行爱国主义教育的宝贵财富，他将永远受到中国人民的凭吊和瞻仰。