同年9月，兼广西巡抚部院总参谋官，10月兼任广西测絵学堂堂长 。1907年（光绪33年）2月，广西陆军小学堂创立，蔡锷兼任总办 。同年3月，兼任广西兵备处总办 。1908年（光绪34年）4月，任广西新练常备军第1标标统 。1909年（宣统元年）2月，任广西龙州的广西陆军讲武堂总办，后改任监督 。1910年（宣统2年）7月，任广西混成协协统 。
蔡锷在广西省历任上述军事要职，其于军校考试与军事无关的诗词歌赋等科目，桂籍学生因不善诗词成绩不佳，遭到除名，而与蔡锷同省的湖南籍学生则无一黜落，因军校经费为广西士绅所筹，学生毕业后也在广西军队任职，护防乡土，因此蔡锷行事被广西士绅视为外省人以卑劣手法迫害本省学生，引发强烈不满，广西士绅及学生群起驱逐蔡锷，令其被迫离开 。
对于蔡锷遭广西驱逐的原因，另有说法指其积极推进军队的近代化改革 。但是广西省的革命派视蔡锷为清朝的拥护派 。1910年10月，革命派主导的驱逐蔡锷运动开始，蔡锷转赴云南省任职 。但广西是辛亥革命后少数由原清廷官僚主政的省份，民间心态较为保守，且清末时各省省籍主义横行，因此广西革命党人主导驱蔡一说可信度较低 。
另有说法指蔡锷同黄兴之间保持着联系，秘密从事革命派团体的组织工作，在广西省任职期间也明确保持着革命派的态度 。有说法认为蔡锷于1906年前后加入了中国同盟会；但是，也有说法不认为在广西省期间蔡锷加入了中国同盟会 。1911年（宣统3年）7月，蔡锷被任命为云南陆军第19镇第37协协统 。同年10月10日，武昌起义爆发，蔡锷同云南省的革命派人士李根源、唐继尧决定举兵响应 。
10月30日，蔡锷在昆明举兵发动重九起义，将云贵总督李经羲逮捕，掌握了云南省大权 。。11月1日，“大中华国云南军都督府”成立，蔡锷被推戴为云南都督 。蔡锷随即改革云南的军事、政治 。他清廉与果断的政治姿态使省政面目一新，结束了省内的混乱，成功掌握人心 。1912年中华民国成立后，蔡锷继续担任云南省都督 。1912年（民国元年）1月27日，蔡锷成为统一共和党总干事 。
同年8月，脱离统一共和党 。1913年（民国2年）5月29日，蔡锷成为梁启超领导的进步党的名誉理事兼湖南支部长，不久便辞任 。但是，此后蔡和梁的关系极为密切 。同年7月，二次革命爆发，蔡锷支持袁世凯 。但是，袁世凯害怕各地方势力坐大，乃将各地方都督召到北京，进行笼络并监视 。同年10月，蔡锷入北京，唐继尧继任云南都督 。
1913年（民国2年）10月，蔡锷出任陆军部编译处副总裁 。11月5日，任行政会议议员 。1914年（民国3年）5月1日，任参政院参政 。同年6月，获授将军府昭威将军 。7月，任陆海军大元帅统率办事处办事员 。12月，任全国经界局督办.1915年（民国4年）11月，反对袁世凯称帝的蔡锷在梁启超的帮助下逃离北京，回到云南 。
12月25日，唐继尧发表云南省独立宣言 。同时组织了讨伐袁世凯的护国军，蔡锷任护国军第1军总司令（第2军总司令李烈钧、第3军总司令唐继尧） 。护国战争爆发 。而后从张玉法的中国近代史称蔡锷、李烈钧、唐继尧为“护国三杰”，以后如薛化元、李守孔等史学家亦从之 。1916年（民国5年）春，蔡锷率2万人的护国军第1军在四川省的泸州、纳溪（今泸州市纳溪区）一带击败了8万人的北京政府军 。
随后，广西省的陆荣廷发表独立宣言，并派陈培坤率桂军出兵湖南，在5月6日至5月19日进行的武冈衡阳战斗中，决定性的歼灭湖南的北洋军 。不久，袁世凯便取消帝制 。1916年（民国5年）5月8日，蔡锷出任护国军军务院抚军 。袁世凯逝世后的1916年6月24日，蔡锷获北京政府授予将军府益武将军 。7月6日，蔡锷出任四川督军兼省长 。
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