1912年元旦，孙中山在南京就任临时大总统，蔡锷热烈欢呼中华民国的诞生。可是，到了3月，北洋军阀头子袁世凯却玩弄手腕，篡夺了辛亥革命的胜利果实，孙中山被迫辞职，袁世凯在北京继任中华民国临时大总统。这时，蔡锷以为“国权”已经统一，并为袁世凯的“民主共和”的外衣所迷惑，对袁世凯抱着极大的希望和幻想，甚至在许多重大问题上支持袁世凯。例如，当袁世凯窃踞临时大总统后，孙中山为了维护共和制度，约束袁世凯的专断独裁，企图迫使袁世凯到南京就职；而袁世凯不愿离开自己的北洋老巢，坚持在北京建都，这样便发生了一场关于建都北京还是南京的争论。在这场争论中，蔡锷两次通电全国支持袁世凯建都北京，认为“建都燕京，可以控御中外，统一南北”。
中华民国建立之后，蔡锷有感于内忧外患的煎迫，迫切希望看到一个国家统一、人民富强的中国。他的基本思想倾向是加强“国权”，以对付虎视眈眈的外国侵略者。因而，他对袁世凯为首的北京政府，不切实际地抱着莫大的企望。在袁世凯公开恢复帝制活动之前，蔡锷对袁世凯一直是抱有很大希望的，他基本的政治态度也是倾向于袁世凯的。
1913年3月，在新的国会召开之前，袁世凯派特务暗杀了国民党代理理事长宋教仁，妄图建立独裁统治。4月，又与英、法、德、俄、日5国银行团签定借款协议，准备发动内战。孙中山看清了袁世凯的反动面目，从日本回到国内，竭力主张武装讨袁。袁世凯得到这一情报，先发制人，派兵南下。国民党人被迫起兵，组织讨袁军。黄兴在江苏南京被推为江苏讨袁总司令，其后，江西、广东、上海、安徽、福建、四川等先后宣布独立。这时，蔡锷内心矛盾重重，尽管他口头上宣称保持“中立不偏”的态度，主张“两方休兵，凭法理解决”，但实际上却是偏向于袁世凯的。因为在他看来，袁世凯就任临时大总统，是合理合法的，是中国统一的象征；中华民国才成立1年多，全国统一的局面来之不易，应该加以珍惜。对袁世凯的心怀叵测、倒行逆施、不断地挖人民用生命和鲜血铸成的共和国的根基这一切，蔡锷是不可能一下子认识清楚的。袁世凯有一个暴露的过程，蔡锷有一个认识的过程，这也是可以理解的。蔡锷仍然在思考，在探索。
1913年9月，蔡锷奉调赴京。他带着几件简单的行李，绕道越南河内，经香港和上海，于10月4日风尘仆仆地来到北京，这时，名震全中国的蔡锷只有31岁。
北京是全国的政治中心，这时，袁世凯正在导演着一场强令国会“选举”他为正式总统的丑剧。他强迫宪法会议通过《大总统选举法》，派军警包围国会，要挟国会议员选举他为正式大总统；为了取得帝国主义的支持，他又公开承认英、俄、法等13个帝国主义国家在中国签定的一切不平等条约。10月10日，袁世凯和黎元洪公然在太和殿正式就任正副总统。接着，袁世凯下令解散国民党，撤消国会国民党籍议员的资格。北京城里笼罩着袁世凯独裁、专横的妖雾。
蔡锷一到北京，老谋深算的袁世凯表面上对他处处表现得敬重、殷勤，实际上，袁世凯调蔡锷入京，使的是调虎离山计。尽管蔡锷还没有反对过他，但为人奸诈的袁世凯仍然对蔡锷存有戒心和猜疑。他曾对人说：蔡锷有才干，但有阴谋；我早已有所防范，所以调他来京。所以，袁世凯表面上是热情笼络，暗地里是严加防范。袁世凯任命蔡锷为陆军部编练处副总裁，并加昭威将军头衔，随后，又任以全国经界局督办、陆海军大元帅统率办事处处员、政治会议议员、参议院参政等要职，这些头衔只是徒有其名，基本上没有实权。
蔡锷对袁世凯委以的职务还是比较热心的，他尤其热心于军事教育。他不仅与一些留日归来的年轻军官组织军事研究会，讨论和演讲各种军事问题军事计划，还请外国军事专家讲演，图谋改进军事教育和提高军事学术水平。蔡锷对军事学术素有研究，他还利用这段时间，修订了早年在广西起草的《军事计划》一书，作为呈献给袁世凯的国防计划的纲要。蔡锷对自己的工作总是采取一贯的兢兢业业的态度，做着自己该做的事。但是，国内和国际的形势开始发生了巨大的变化，蔡锷的思想也开始发生了改变。
1914年1月，袁世凯下令解散国会；5月，废除了孙中山南京政府制定的《临时约法》而代之以其御用机构炮制的《中华民国约法》，取消了责任内阁制，集军政大权于一身。辛亥革命所取得的一点点资产阶级形式上的民主，被袁世凯统统砍掉了，剩下的只是一块“民国”的招牌。就是这块招牌，袁世凯也觉得刺眼，非把它扔掉不可。对内独裁的同时，袁世凯对外还进行了大量的卖国活动。为了实现其当总统、当皇帝的野心，他把国家主权和祖国的大好河山当做礼品，奉献给他的帝国主义主子。据不完全统计，在袁世凯当政的几年内，先后和俄、美、日、英等帝国主义国家签订了100多个不平等条约。
1914年秋，第一次世界大战爆发。德国因忙于西方战事，唯恐已霸占的胶州湾被日本等国夺去，就表示愿意把胶州湾归还中国。蔡锷认真分析了战争形势，认为德国这样做是迫不得已，而对中国来说则是机不可失，于是多次建议袁世凯派兵驻守胶州湾，以遏止日本军队的入侵。但袁世凯并未采纳蔡锷的主张，结果，日本帝国主义以对德宣战为名，出兵山东，占领德国租借的胶州湾和胶济铁路沿线各地。蔡锷在日本出兵之后，又向袁提出派兵到山东与日本交战的要求，袁世凯仍然置之不理。日本对山东实行军事侵略之后，又提出了一系列的无理要求，向袁世凯提出了灭亡中国的“二十一条”。日本提出的无理条件和要求，实际上就是要把中国的广大地区和中国政府置于日本的控制之下，变中国为日本的殖民地。蔡锷对这个丧权辱国的“二十一条”感到异常痛心，他在一次参政院会议上，发表了1个多小时的演说，竭力反对袁世凯同日本签订“二十一条”，主张要有最后作战的决心和准备。中日双方经过几个月的谈判，在日本帝国主义的威逼利诱下，袁世凯政府终于在1915年5月9日接受了日本帝国主义灭亡中国的条件。日本帝国主义的侵略和袁世凯的卖国行径，激起了中国人民强烈的愤怒和反抗，各地群众纷纷举行抗议集会和游行。具有民主爱国思想的蔡锷受到了极大的震动，他对袁世凯的幻想也被铁一般的事实所粉碎。他开始从幻想中清醒过来，走上反对袁世凯的道路。