1916 - 1927
1916年12月，著名教育家、思想家、民主主义革命家蔡元培出任北京大学校长，对北大进行了卓有成效的改革。众多革新人物和学术大师云集北大，倡导民主与科学精神，弘扬爱国与进步思想，促进新思潮的传播和学术的繁荣，使北大成为新文化运动的中心，五四运动的发祥地，传播马克思主义和创建北方地区中国共产党组织的最初基地。这是北大发展史上一个辉煌时期，奠定了北大的光荣革命传统和优良学术传统。
蔡元培认为“大学者，囊括大典罗网众家之学府也”，提出“思想自由，兼容并包”的办学方针，就任校长后，不拘一格，延揽名师，聘请新文化运动的精神领袖陈独秀任文科学长，最早介绍爱因斯坦相对论到中国的夏元瑮任理科学长。蔡元培主张民主办学，教授治校，改革领导体制，设立相应的管理机构：评议会为学校最高立法和权力机构，由校长、各科学长和教授代表组成；行政会议为学校最高执行机构，由各专门委员会的委员长和教务长、总务长组成，成员为教授，校长兼行政会议议长；教务会议和教务处负责学校教学事宜，由各系主任组成，教务长由各系教授会推选；总务处负责全校的人事和财务，总务长由校长委任。
蔡元培致力于把北大办成以文理科为重点的综合大学。他从改革文科入手，扩充文理两科，增设史学、地质两门，将商科并入法科，工科并入北洋大学。1919年撤销文、理、法科的设置， “废门改系”，先设数学、物理学、化学、地质学、哲学、史学、中国文学、英国文学、法国文学、德国文学、俄国文学、经济学、政治学和法律学等14个学系，后又增设教育学、东方学、生物学、心理学4个学系。开设了新闻学、政治学、唯物史观、逻辑学、美学、考古学等新课。预科学制由3年改为2年，本科由3年改为4年。实行选科制和旁听生制。提倡美育，重视体育，促进德、智、体、美四育全面发展。1920年北大开始招收女生，开中国国立大学男女同校之先河。
蔡元培认为大学应是研究高深学问的机关，，采取了一系列措施提升北大的科研水准。其一，创办研究所，培养研究生。1917年底，北大成立了文、理、法三科研究所，为当时中国高校最早成立的学术研究机构。1918年初，各研究所共有研究员（即研究生）148人，另有通讯研究员32人。1921年12月，合并三科研究所，拟在研究所下设自然科学、社会科学、国学和外国文学四门。因经费所限，1922年1月只成立了研究所国学门，沈兼士任主任。国学门先后设立了歌谣研究会、明清史料整理会、考古学会、方言调查会、风俗调查会等。其二，创办学术刊物，促进学术研究。1917年11月，创办《北京大学日刊》，刊载学校重要纪事，兼载文艺、学术稿件。1918年9月出版《北京大学月刊》，系中国大学最早的学报。另外如《自然科学季刊》、《社会科学季刊》、《国学季刊》等刊物均颇负盛名，有力地推动了师生的学术研究。其三，聘请外国学者，开展学术交流。北大先后聘请了美国的杜威、英国的罗素、法国的班乐卫及量子力学创立人普朗克等学术大师来校讲学，还聘请校内外著名专家举办各种讲座，繁荣学术活动。其四，扶植社团活动，鼓励学术争鸣。五四前后，各种社团纷纷成立，影响较大的有“雄辩会”、“进德会”、“新潮社”、“国民杂志社”、“马克思学说研究会”、“新闻学研究会”、“社会主义研究会”、“平民教育演讲团”、“哲学研究会”及“音乐研究会”等，这些社团、学会大多有自己的刊物，其中《新潮》、《国民》、《少年中国》、《新闻周刊》、《国故》、《数理杂志》、《音乐杂志》等在社会上有较大影响。
经过改革，北大“学风丕振，声誉日隆”，师生人数顿增。据1918年统计，当时有教职员217人，其中教授90人；学生1980人，其中研究生148人。在良好的学术环境中，一大批优秀人才脱颖而出，各学科领域中的开山之作先后问世。胡适著《中国哲学史大纲》（上卷），是中国第一部系统地用新学术观点和方法写成的中国古代哲学史。孙云铸著《中国北部寒武纪动物化石》，是中国学者的第一部古生物学专著。徐宝璜著《新闻学》，被蔡元培誉为新闻界的“破天荒之作”。
1915年，陈独秀在上海创办《青年杂志》（次年改名《新青年》），在创刊号上发表《敬告青年》一文，鲜明地提出了民主与科学口号，揭开了新文化运动序幕。1917年陈独秀受聘北大，《新青年》随迁北京。北大文科教授胡适、钱玄同、刘半农、李大钊、鲁迅、沈尹默、高一涵等参加编辑工作，形成了以《新青年》为核心的强大革新营垒。1917年1月，胡适在《新青年》发表《文学改良刍议》，是新文学运动的第一篇重要文章。2月，陈独秀在《新青年》发表《文学革命论》，举起文学革命的旗帜。1918年8月，鲁迅在《新青年》发表第一篇白话小说《狂人日记》，引起思想文化界的强烈反响。之后鲁迅又陆续发表《孔乙己》、《药》等白话小说，奠定中国现代文学的基石。陈独秀和李大钊创办的《每周评论》和由北大学生创办的《新潮》、《国民》等刊物，在批判旧思想旧文化，宣传新思想新文化方面也产生了巨大影响。新文化运动是一场前所未有的启蒙运动和空前深刻的思想解放运动，为五四运动作了思想准备。北大是新文化运动的中心。
1919年第一次世界大战结束，在巴黎召开和会，中国作为战胜国出席，但列强竟把战败国德国原在山东攫取的特权转让日本，北洋政府密令中国代表团在“和约”上签字。消息传来，北大学生义愤填膺，约集各校学生代表在北大西斋紧急开会，商量对策。5月3日晚，在三院礼堂召开学生大会，出席大会的还有北京高师等12所大专学校代表。北大法科学生廖书仓主持大会，谢绍敏当场咬破中指，撕下衣襟，血书“还我青岛”，学生们争相演说，声泪惧下。大会决议，把原订5月7日的国耻纪念日游行提前举行。在北大学生的发起组织下，5月4日，北京各大专学校3000余人齐集天安门举行学界大示威，震惊中外的五四运动爆发了。北大学生傅斯年担任学生游行队伍总指挥，在天安门集会上宣读了北大学生许德珩起草的《北京学生界宣言》。在游行途中散发了北大学生罗家伦起草的《北京全体学界宣言》，宣言疾呼：“现在日本在万国和会要求吞并青岛，管理山东一切权利，……中国的领土破坏，中国就亡了，……务望全国工商各界一律起来设法开国民大会，外争主权，内除国贼。中国存亡就在此一举了。”游行学生激于义愤，到赵家楼胡同，火烧卖国贼曹汝霖住宅，痛打卖国贼章宗祥。北洋政府派出军警镇压,32名学生被捕。5月5日，北大等高校开始罢课，蔡元培等各校校长极力营救被捕学生。两天后，政府释放被捕学生，但对学生的政治要求不予理睬，且逼走了同情爱国学生的北大校长蔡元培。5月19日，北京学生宣布总罢课，分赴市内街巷演讲宣传。6月1日，政府下令取缔学生的一切反帝行动。6月3日、4日，逮捕学生上千人。学生的爱国行动遭到军阀政府残暴镇压，激起全国人民义愤，上海等各大城市掀起工人罢工、商人罢市、学生罢课的斗争高潮。在“三罢”斗争压力下，北京政府罢免了曹汝霖、陆宗舆、章宗祥的职务，并拒签《巴黎和约》。五四运动取得了伟大胜利。五四运动是彻底的不妥协的反帝反封建爱国运动，推动中国旧民主主义革命转变为新民主主义革命，具有划时代意义。北大作为五四运动的发祥地，在中国历史上写下了光辉的一页。
五四运动促进了马克思主义的广泛传播。北大教授李大钊在中国第一个举起马克思主义旗帜，系统接受、传播和实践马克思主义。继1918年发表《bolshevism的胜利》后，1919年他在《新青年》上发表《我的马克思主义观》，全面阐述马克思理论。他把马克思主义理论正式列入课程，组织指导“马克思学说研究会”等进步社团。在他的影响下，邓中夏、毛泽东、高君宇等一批青年马克思主义者成长起来，北大成为研究和传播马克思主义的中心。1920年8月，陈独秀在上海组建了中国共产党第一个小组。10月，北京共产党小组在北大红楼李大钊办公室成立，11月改为共产党北京支部，成员几乎都是北大师生。中共“一大”前，在全国8个地区建立了党组织，其中有6个地方党组织的负责人是北大师生和校友；全国53名党员中有北大师生和校友21人；1921年7月出席中共“一大”的13名代表中有北大师生和校友5人。从此可见北大在建党初期的重要贡献。
北京政府摧残教育，拖欠教育经费和教职员薪水，致使各高校陷入窘困。1921年3月15日，北京国立八校成立“教职员代表联席会议”，决定开展索薪斗争。这场事关教育命脉的维系和广大教职员生存的斗争持续多年。
1926年3月18日，北大、师大、燕大等校和二百多个社会团体数万人，汇集天安门举行国民示威大会，抗议日本帝国主义炮击大沽口和所谓“八国通牒”。会后两千多人组成的请愿团前往执政府请愿，竟遭段祺瑞执政府卫队的枪击镇压，是为震惊中外的“三·一八”惨案。北大师生在反帝反封建的斗争中一直站在前列。正如鲁迅在《我观北大》一文中所说：“惟据近七、八年的事实看来，第一，北大是常为新的，改进的运动的先峰，要使中国向着好的，往上的道路走。……第二，北大是常与黑暗势力抗战的，即使只有自己。”