1916年1月1日，袁世凱稱帝。同時雲南軍政府正式成立，唐繼堯任都督，並組成護國軍總司令部，以蔡鍔、李烈鈞分任第一、二軍總司令，旨在討伐袁世凱。
這對於袁世凱來說，是很意外的。就在不久前，蔡鍔還在公開場合批駁反對帝制的梁啓超，並積極表態「贊成帝制」，並且經常在八大胡同「鬼混」，與京城名媛小鳳仙打得火熱。結果此時的蔡鍔突然從北京潛回雲南，並發起了護國戰爭，可見蔡鍔一直在袁世凱眼皮底下策劃護國運動。袁世凱不禁對身邊人說：「此人之精悍，遠在黃興及諸民黨之上，即宋教仁或亦非所能匹。」
在離開北京之前，蔡鍔多次偷偷潛去天津，找到老師梁啓超，商量討袁計劃，並初步擬定了赴雲南發動武裝起義的戰略設想。據說他們商討的計劃是這樣的：「雲南於袁氏下令稱帝後即獨立，貴州則越一月後響應，廣西則越兩月後響應，然後以雲貴之力下四川，以廣西之力下廣東，約三四個月後，可以會師湖北，底定中原。
為什麼護國運動會從雲南開始呢?
辛亥革命以後，北洋軍閥的勢力未滲透到雲南，革命力量基本上保留了下來，蔡鍔回到雲南後，嚴明治軍，提出為「為四萬萬人掙人格。」決心推翻袁世凱的帝制，自出徵之後，在軍餉不足的情況下，蔡鍔的軍隊嚴守軍紀，保持秩序，對沿途百姓未有一絲的驚擾，受到了百姓的愛戴。當時追隨蔡鍔的朱德回憶起護國運動時說：「從雲南到四川，一路上百姓都是帶著酒肉夾道歡迎。」
1916年春蔡鍔率領護國第一軍在四川瀘州面對數倍的袁軍靈活應對，在餉彈兩缺，後方接濟時斷的情況下，與號稱精銳的北洋軍奮戰數月。朱德率領的第六支隊一度登上瀘州城頭，牽制了大量北洋軍主力，有效地支援了其他各線的反帝制勢力。1916年3月22日，袁世凱感覺形勢愈發的混亂，被迫宣布取消帝制，蔡鍔隨後也接受了停戰協議。
1916年6月6日，袁世凱憂憤而死，由黎元洪任大總統，任命蔡鍔為四川督軍兼省長。但是，這時蔡鍔原本就有的喉癌惡化，他草草處理了川省善後事宜，即於9月東渡日本治喉癌。1916年11月8日上午，終因醫治無效，病逝於日本福岡，年僅34歲。蔡鍔在遺囑中依舊對護國軍將士念念不忘，期待撫恤金早日下發。至於自己，他說他沒有給國家做什麼貢獻，就簡單薄葬。
1916年1月1日，蔡鍔將軍在雲南登高一呼，開始了自己人生中最後一件大事。自古以來，軍人不論政事，但是在那個動蕩的年代，需要一個嶄新的政治思路來拯救整個民族，這個在辛亥革命中奔走宣傳民主思想，然後反對袁世凱帝制的愛國將領，成為民國國葬的第一人。鑑於其傳奇的人生經歷，更是留下無數野史和傳聞。尤其是蔡鍔和小鳳仙的「奈何七尺之軀已許國，再難許卿」的愛情故事更是廣為流傳。
蔡鍔，這個生活在清末那樣一個「民不知有國」的時代，他沒有其他軍閥的利己主義，而是凡事以民族利益為重，還有什麼比這更可貴的嗎。而且說句後知後覺的話，要是蔡鍔不早亡，估計民國的歷史就沒有蔣介石什麼事了。