二十五歲到五夫向朱熹問易，朱扣其學識，見他談吐非凡，即驚奇地說：“此吾老友也，不當在弟子之列”，四方來學者，朱必讓元定考詢方能入學。朱、蔡二人師友相稱，研究學問，著書講學，長達四十年，親密無間，在學術上成為朱熹的左肱右臂。
乾道六年(公元1169年)，蔡元定重上西山設“疑難堂”，與朱熹在雲谷的“晦庵草堂”遙遙相對。為了及時聯絡問學，故在兩山懸燈相望，夜間相約為號，燈暗表明學有難處，翌日往來解難。元定每到朱處，朱必留他數日，論學經常通宵達旦。寶佑三年，理宗皇帝為此敕建“西山精舍”，塑繪蔡元定與朱熹對座講道神像。禦書“西山”巨字，由孫杭石刻於石崖上。
蔡元定教人以性與天道為先，自本而支，自源而流，聞者莫不興起，在西山講學，學生常常擠滿書屋內外。朱熹說：“造化微妙，惟深於理者識之，吾與季通言未嘗厭也。”學生黃幹說：“開始受學晦庵，首試西山蔡公之門，從遊者多矣!公之來謁，先生必留數日，往往通夕論學不昧，從先生遊者，歸必過公之家，得其言論不忍去，去皆必有所得也。幹之識公為最久，而荷之教最深。”
西山公壹生不幹利祿，四十不就科舉，諸臣舉薦於朝，皇帝下詔，他都堅以疾辭，壹心以研究學問著書立說為已任。著有《律呂新書》、《皇極經世旨要》、《八陳圖說》等十四種書於世。 慶元三年(公元1197年)，權臣韓侂胄擅政，制造“偽學之禁”指道學為“偽學”，把“四書”、“六經”定為禁書，誣奏偽黨五十九人，朱熹被打成“偽學魁首”，去職罷祠。誣蔡元定為朱熹的左右羽翼之罪，貶湖南道州編管。元定得訊，未向家人告別，即往府治報到，三子蔡沈，學生邱崇相隨，行至考亭贏州橋頭，朱熹與從學者百余人餞行，許多人感傷而泣下，元定卻泰然自若，不異平常，臨行賦詩雲：“執手笑相別，毋為兒女悲，輕醇壯行色，扶搖動征衣，斷不負所學，此心天可知。”朱熹漢曰：“朋友相愛之情，季通不屈之誌，可謂兩得之矣!”
朱熹向元定提出著《參同契》疑難，蔡當眾隨口解答如流，聽者無不欽佩。朱送元定行至馬伏“寒泉精舍”，兩人***同參訂《參同契》壹書，通宵不昧。翌日開始在嚴寒風雪的氣候中，扙履步行三千裏，腳為流血，抵達道州貶所，父子學生堅持讀書論學，四方學者聞之，來求學者日眾，元定不怕朝庭壓力，堅持授徒講學不倦。可謂不降其誌，不辱其身的高貴品德。 湖南道州氣候惡烈，元定公常年抱病，百方醫治難瘉，心想解易、春秋未竟，又有洪範之數，學者久失其傳，唯元定獨心得之，然未及論著，故囑子成書曰：“淵宜紹吾易學，沈宜演吾皇極數(洪範之數)而春秋則以屬沆。”常訓諸子曰：“獨行不愧影，獨寢不愧衾，勿以吾無故得罪而遂懈。又曰：”步步守著仁、義、禮、知、信，可傳子孫。”慶元四年八月初九病逝，守臣上奏，旨許歸葬，子沈扶柩三千裏以還，十壹月初六，葬於建陽莒口翠嵐山之源，公元2000年海內外眾裔孫集資將西山公墓建成“西山陵園”。
開熹三年(公元1207年)，誅侂胄，枉者皆伸，朝廷對蔡元定平反招雪，初贈迪功郎，寶佑四年贈太子太傅謚文節。明嘉靖九年詔元定崇祀啟聖祠。
清康熙四十四年，聖祖仁皇帝頒賜宋儒蔡元定“紫陽羽翼”金匾。