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19世纪末20世纪初，中国社会经历着“数千年未有之变局”，在此新旧交替的过渡期，一些有识之士开始出国留学、开眼看世界，希冀从西方强国寻求救亡兴国之道。
对蔡元培而言，此前的十数年里，主要是通过中国先觉的知识分子及日本学者翻译的西方思想学说来了解和认识世界的形势和最新思潮，这些书籍也确实启蒙了他的诸多新思维。
但是百闻不如一见，从书上读到的毕竟是第二手的资料，况且，还夹杂着译著者自己的主观认识乃至于偏见。亲身到西方文化的发源地去看一看，挖掘更多的思想源泉、磨砺改造中国的思想利器，成了蔡元培梦寐以求的事。
20世纪初，中华大地上出国留学或考察蔚然成风，但大多是晚清政府公费官派的留学生，所去国又以日本为主，去欧洲的很少。蔡元培曾于1902年夏到日本游历，但是他于留日并无兴趣。原因在于，日本虽然是一个善于学习的国家，这时通过学西方进行了明治维新，使得国力陡然走向强盛，但是这里并不是近代工业、近代思想和社会经济制度的发源地。
蔡元培一心想去追寻欧洲文明的源头，他梦想中的游学目的地是德国。
1903年6月中旬，因爱国学社与中国教育会的同志意见不合，发生了分裂，蔡元培便离开了爱国学社，去青岛学德语，为赴德留学做准备。次年，蔡元培的女儿出生，蔡元培取名“威廉”，尔后，他又为1906年出生的儿子取名“柏龄”（柏林）。为子女所取的这两个德国式的名字，可见蔡元培对赴德求学的向往和决心。
出国是为救国谋。蔡元培坚定地把留学目标定为德国是因为，在他看来德国是当时欧洲以至世界上哲学、教育学最发达的国家，在那里最能学到对中国有益的新知。
在西方近代教育的发展进程中，德国曾做出过重要贡献。赫尔巴特的《普通教育学》被认为是第一部具有科学体系的教育学著作。福禄贝尔创办的幼儿园影响了世界学前教育的发展。近代西方的教育视导、公立教育、义务教育制度、实科教育、师范教育、双规学制和双元制职业教育等，也大多起源于德国，并对其他国家产生了重要影响。
拿破仑战争后，普鲁士引进了教师需要国家认证的制度（1810年），这提升了教师的教学水平。1812年，普鲁士开始设置中等学校的升学考试（这在1788年已被发明）；到了1871年，整个德意志帝国都接受了这种制度。1871年后，德国的学校教育开始变得较系统化和国家化。更多的学校被建立，用来训练教育良好的年轻人。
“救国必以学，世界学术德为尊，吾将求学于德”。在给清廷学部的留德申请呈文中，蔡元培这样写道：“窃职素有志教育之学，以我国现行教育之制，多仿日本。而日本教育界盛行者，为德国海尔伯脱派。且幼稚园创于德人佛罗比尔。而强迫教育（即义务教育）之制，亦以德国行之最先……欧美各国，无能媲者。爰有游学德国之志……至少以五年为期。冀归国以后，或能效壤流之助于教育界。”
蔡元培在给清政府呈文里的这一番话，倒是肺腑之言。
1906年底，蔡元培听说清政府将公派几名翰林院编检出国留学，不由得再次激起他“抱之数年”的留德梦想。他立即从故乡绍兴赶回京城，但当时“愿赴欧美者人数太少，而政府又拙于经费，悉改派赴日，孑民不愿”。蔡元培一直认为“游学非西洋不可，且非德国不可”。
他决定放下翰林学士的身段，自费赴德。
1907年4月，清政府任命孙宝琦为驻德公使，这为蔡元培赴德提供了机会。孙宝琦的弟弟孙宝暄与蔡元培是故交。由于孙宝暄的介绍和蔡元培的登门拜访，孙宝琦答应让蔡元培在使馆任职，且每月资助学费30两（合42银圆）。同时，蔡元培还通过挚友张元济与上海商务印书馆商洽，特约他在德国为该馆翻译德文著作，每月付给稿酬100银圆。这两笔收入远不能解决蔡元培在德国的费用和国内妻儿的家用，但蔡元培迫切的心情使他也顾不了许多。蔡元培抛家别子，于6月随孙宝琦一行前往德国，开始了他的首次欧洲之行。
据统计，清末留德的中国学生前后总计有114人，其中官费生87名，自费生27名，年龄多数不到25岁。在早期众多的留学生中并不乏自费生，但是，蔡元培可谓是不依赖国内支持、“半工半读”的第一个留学生。而且当时的蔡元培已是年近四旬，年纪远远超过其他留学生。
蔡元培在德国第一年居住在柏林，由于经济拮据，生活非常艰苦，他曾以“半佣半丐之生涯”来形容自己的这段德国求学生活。为解决在德国生活和求学的费用，蔡元培在孙宝琦的介绍下，为时在柏林留学的唐绍仪之侄等四人做国学家庭教师，月薪100马克（合55银圆）。
在为他人补习国学获得一定生活费用的同时，蔡元培还要请老师为自己补习德语。蔡元培虽在青岛时学过德语，但远没过关。德语那生疏的文法、拗口的发音对年近四十的蔡元培来说，学习起来艰难程度可以想见。蔡元培自述：“我在柏林一年，每日若干时学德语，若干时教国学，若干时为商务编书，若干时应酬同学，实苦应接不暇。”
蔡元培赴德本意在于求学新知，勤工是为了俭学，“若长此因循，一无所得而回国，岂不可惜”。为不耽误学业，他决意要改变这样的生活。
1908年暑假，蔡元培便申请就读德国最有名的柏林大学，但因不能提供中学毕业证书而无法注册入学，他只好离开柏林前往莱比锡大学。莱比锡大学是德国一所有500年历史的著名大学，该校设有中国文史研究所，主持该所的康德拉（中文名“孔好古”）教授早年曾在北京译学馆任教，他十分乐意招收中国学生。蔡元培便由康德拉教授介绍顺利入学。在填写入学申请表时，蔡元培担心自己年龄太大而不被录取，就把年龄少写了5岁，实际年龄40岁写成了35岁。
与其他人求学不同，蔡元培把在德国的求学称为“游学”，而不是“留学”，因为他的目的并不是为拿学历或者学位，而完全在于汲取知识、开阔眼界。
一到德国，蔡元培便试图全面了解西学的核心要义。他深知，国家之间的互动在本质上来讲就是文明的碰撞，而哲学则是每一种文明的根本。蔡元培要借由追溯西方文明的源头，以探究中华的未来之路。
也就在蔡元培入读德国莱比锡大学的20世纪初，这一时期，康德、叔本华、歌德、莱辛等具有划时代影响的思想家们的哲学和艺术思想，在德国大学正占据着重要地位。蔡元培身居其中，学泛众家。蔡元培在莱比锡大学虽然注册的专业是哲学系，但他跨学科地广泛选修了各类课程。在1908年10月到1911年的短短6个学期里，蔡元培选听了40多门课程，每学期近7门。凡哲学、文学、教育学、心理学、美学、民族学、绘画艺术论等，“凡时间不冲突者，皆听之”。这种近乎狂热的求知欲简直可以用“如饥似渴”来形容。
一番穷追猛学下来，蔡元培给吴稚晖的信中不禁感叹：
拾取零星知识，如于满屋散钱当中，暗摸其一二，而无从联贯，又或拾得他人弃掷之钱串，而曾不名一钱，欲摸索一二相当之钱以串之，而顾东失西，都无着落，惟终日手忙脚乱，常若债负，与日俱增而不知所届。
这是情有可原的。在蔡元培最初的想法里，知识当然是要掌握得越多越好，但东方的思想是归纳式的，你总能在自己的知识架构中为新知找到一个位置，但西方思维的发散性，使得在思想界永远会出现全新的打破原有思维框架的知识，这难免让蔡元培一时间有茫然失措之感。
在莱比锡大学的老师中，蔡元培最佩服的是哲学家、实验心理学创始人冯德和历史学家兰普莱西，他们开设的课，蔡元培每学期都选修。
蔡元培说，“冯德是一位最博学的学者”，他的著作“没有一本不是原原本本，分析到最简单的分子，尔后循进化的轨道，叙述到最复杂的境界，真所谓博而且精，开后人无数法门的了”。
而这正是想要对西学追本溯源的蔡元培想学习的内容。
兰普莱西是位史学革新者，他在校内创设的文明史和世界史研究所，原本只招收三四年级的学生。但当知道蔡元培是“清朝翰林”，便破例招他入学。因此，1910年至1911年，蔡元培还从事文明史和世界史的学术研究。
蔡元培通过与德国著名教授们的“亲密接触”，接受了西方式基本的严格学术训练，形成了自己对现代学术规范以及大学教育模式的基本认知。
因旺盛求知欲所产生的“滚雪球效应”，使蔡元培在德国的求学变得十分广博。学问的门类太多了，既要广博，又要一门深入。他博而学之，是为了精深做预备。蔡元培在《自写年谱》中回想到：
我向来是研究哲学的，后来到德国留学，觉得哲学范围太广，想把研究范围缩小一点，乃专攻实验心理学。我看那些德国人所著的美学书，也非常喜欢。因此，我就研究美学。但美学理论，人各一说，尚无定论，欲于美学得一彻底了解，还须从美学史研究下手，要研究美术史，须从未开化民族的美术考察起……
从上面这段话也可看出，蔡元培毕生提倡美学的发端。
在莱比锡大学期间，蔡元培选读了几门美学课程，业余时间常常参观当地美术馆、博物馆。他还练习过钢琴和小提琴，观看了大量的话剧、小歌剧，对美学产生了浓厚兴趣。他在《自写年谱》中回忆：“我于讲堂上既常听美学、美术史、文学史的讲演，于环境上又常受音乐、美术的熏习，不知不觉地渐集中心力于美学方面。”
蔡元培“到40岁，始专治美学”，指的就是他在德国游学的时期。1912年，他首先将“美育”一词引入中国，“美育的名字，是民国元年我从Asthetische Erziehung（德语）译出，为从前所未有”，“美育者，孑民在德国受有极深之印象，而愿出全力以提倡者也”。蔡元培后来主张的“美育为学”、“德智体美”四育、“以美育代宗教”等，显然萌发、形成于德国游学时期。
蔡元培在德国期间，十分注重研究德国教育制度，翻译了许多德国教育家的著作。他读过著名哲学家、柏林大学博士包尔生的名著《德国大学与大学学习》，该书的绪论部分比较了德国与英国、法国大学的特点，介绍了德国大学把教学与研究“融合为一”、注重纯学术以及教授治校的原则，他认为如此种种都“颇足参考”。这为蔡元培日后在中国的大学管理方面提供了重要的理念。他将该书的绪论部分译成中文，以《德意志大学之特色》为题，发表于1910年第11期的《教育杂志》上。
蔡元培对德国大学教育制度的观察与思考，使他从泛泛的“教育救国论”者转为“学术救国”或“大学救国”论者，为其日后把精力倾注于中国近代的高等教育、倾力改造北大提供了动力。
蔡元培还利用渊博的国学知识在德国传播中华文化，推动中德文化交流。
在兰普莱西的研究所学习时，蔡元培帮助倾心汉学的但采尔翻译有关中国象形文字的资料，两人结下深厚情谊。1924年冬，时任汉堡大学教授、汉堡民族博物馆馆长的但采尔邀请蔡元培去做民族学研究；蔡元培在任中央研究院院长时，也邀请但采尔来华并聘其为社会科学研究所客座教授。
蔡元培还与勒杜尔、安采尔、慕思德柏格等德国同学一起，在孔好古教授主持的中国文史研究所鉴别中国文物，帮助孔好古整理在甘肃楼兰发现的古代文献。孔好古于1920年公布了这批简牍与文书，引起中外学术界的轰动。
在德游学时期，是蔡元培潜心治学、辛勤笔耕的黄金期。他在这里进一步形成良好的西方学术修养，摄取各类学术精华，又以深厚的国学底蕴，形成了对东、西两大文明的独特认知，这为他后来回国后领导全国性的文化教育事业革新奠定了思想和学术基础。
蔡元培以“爬格子”的方式半工半读，在这一期间编著了《中学修身教科书》，编写了《中国伦理学史》，翻译了《伦理学原理》。这些著作奠定了蔡元培在中国学术和教育界的地位。
《伦理学原理》于1907年出版后，至1921年再版6次，后编入“汉译世界名著丛书”；他著写的《中国伦理学史》则被称为“中国现代伦理学的开山之作”；《中学修身教科书》至1921年则曾经再版16次，是民国初期国内中学深受欢迎的教科书。
今天我们看蔡元培的《中国伦理学史》，以为它是一部学术作品。实际上，它仍然是力图为中国人寻找新的精神定位。从社会学的角度来讲，社会大变乱时期，旧的道德秩序、行为规范、社会规则已经改写，即所谓的社会“失范”，社会成员面临着遵行什么样的伦理规范，才能适应新时代的问题，社会则面临着重建伦理秩序的问题。
为社会建立合理适时的伦理规范，规范每个个体行为，这是社会有序和健康运行的关键。那么对于社会成员的伦理规范的制定合理合宜的规则，以及对社会成员个体人格的好的培养就显得格外重要。20世纪初期，梁启超、孙中山等各个领域的领军人物都曾不约而同地谈到人类的人格问题，强调人格的重要，重视人格的培养。梁启超于1903年著文《论中国国民之品格》；孙中山于1923年则作了《改良人格来救国》的演讲。
蔡元培于1918年谈到教育时曾郑重提出，学校教育的本质和核心是人格教育，否则，就是教育的堕落，继之以人的堕落。“然则，进化史所以诏吾人者：人类之义务，为群伦不为小己，为将来不为现在，为精神之愉快而非为体魄之享受，固已彰明较著矣。（《世界观与人生观》）”
蔡元培写《中国伦理学史》一书，梳理自秦汉以来的伦理思想脉络，尤其关注人的道德存在。这倒可以看作蔡元培为了“为生民立命”而做的“为天地立心”的一个尝试。在弥留之际，蔡元培的遗言中也曾有“我们要以道德救国，学术救国”的话。
早在清代晚期他就认为：“吾国夙重伦理学，而至今尚无伦理学史，迩及伦理界怀疑时代之托始，异方学说之分道而输入者，如风如烛，几有互相衡突之势，苟不得吾民族固有之思想体系以相为衡准，则益将彷徨于歧路，盖此事之亟如此。”然而又深知“当代宏达似皆为遑暇及”，于是他“用不自量，于学课之隙，缀述是篇”。
在德留学四年中，他编著了《中国伦理学史》，这样就诞生了我国近代的第一部伦理学史专著。
在西学东渐、中西文化交流大潮中，蔡元培审时度势，一方面积极主动地译介、传播西方伦理学说，同时又注重中西伦理学说的比较、融合，力求建构具有新时代、新特点、新方法的中国伦理学，在伦理学方法、伦理学原理、伦理学史诸多方面，为中国近代伦理学的建构做出了重要贡献。
《中国伦理学史》全书分绪论、先秦创史时代、汉唐继承时代、宋明理学时代四大部分32章，系统地介绍了我国古代伦理学界重要的流派及主要代表人物，并阐述了各家学说的要点、源流及发展。这是第一部系统整理和研究中国古代伦理思想发生、发展及其变迁的学术著作，阐述了从孔子到王阳明等28位思想家的伦理思想，附录中列叙了戴震、黄宗羲、俞正燮三人的道德学说。