第一次当校长，投身近代教育，蔡元培可不是茫无头绪。
在传统教育之下当了多年的好学生，对过往的那一套学堂的教学方式，蔡元培可谓是了如指掌也深喑其弊。哪儿些方面需要除旧更新，哪儿些方面需要坚持和发扬广大，已经过较长时间思考的他，早就心中有数。
一进入角色，他便毫不犹豫地干了以下几件事：
一是延请名师，进行最好的“软件”建设。
在接办学校的第六天，便将所聘教员名单报知府熊起磻批示：由马用锡(湄莼)、薛炳(阆仙)为经学、词学教员，马冋章(水臣)、冯学书(仲贤)为词学教员，赏乃勋(星槎)、褚闰生为蒙学教员，蓝寅(筠生)、俞墉、陈凤锵(子仪)为英文教员，戴儒珍(铭甫)为法文教员，杜炜孙(亚泉)为算学、物理教员，寿辅清(孝天)为算学教员。
这些教员，都是当时绍兴“极一时之选”的人物。蔡元培还不惜重金聘请外籍教员，如学堂先后聘请日本人中川外雄、藤乡担任日文和体操教员，月薪高达50圆。
二是购置教学仪器和设备，就是“硬件”建设。
平时一有机会，蔡元培总是托人求购各种新书和有关教学仪器设备。
1899年6月，校董徐树兰前往上海，蔡元培即托其购买日本教育社物理、化学的助力器械及化学药品和动物标本，并写信给上海的张元济，托其代购南洋公学所编书籍。
此外，还曾托徐树兰之子徐显愍从日本东京购得日本所制小学物理器械第二号1组，共33种；化学器械二号1组，包括药品共31种；化学标本1组，40种；庶物标本1组，200种；动物标本乙号1组，85种；植物标本乙号1组，105种；矿物标本乙号1组，65种；另三球仪1架，三角及两脚定规3具，助力器模1组，8种，立体几何和平面几何专用教具各l组。
由于蔡元培坚持不懈的努力，中西学堂成为当时绍兴藏书最丰、教学仪器设备最好的一所新式学校。
三是进行合理的学制分类。
中西学堂根据国学程度的高低把学生分为三斋(相当于年级)，分别教授不同程度的国学课程，第一斋为蒙学斋，第二斋为词学斋，第三斋为理学斋。同时，学生又可按自己算学、外语的程度，到不同的级别去听相关的课程。例如，有的学生根据其国学程度被列在第三斋，但外国语可到第二斋就读，算学可到第一斋学习，并不受原来所在斋的限制。
能够有效面对学生起步不同的现状，这在今天的眼光看来，也是极为合理的。
四是进行极为严格的管理。
中西学堂的学生每天早晨5点起床、盥洗，6点吃早饭；上午7点外语及算学各班上课，12点吃午饭；下午2点起，国学(读书、温书、讲书)各班上课，6点体操，7点晚饭；8点余课，9点就寝。
有制度还要有监管执行的人，蔡元培聘请人品诚笃的胡钟生为监学，在学堂大门左傍辟一房间，监视学生出入，另每一斋派一国学教员督导学生攻读。这可真是得了中国私塾严格管教风格的真传。
最有意义的一件事，就是增设课程。
在蔡元培执掌校务期间，中西学堂的课目已经大致包含了中国深浅层次不同的国学，以及外文、数学、物理学、化学、动植物学和体操等与世界现代教育接轨的科目。从课程所涵盖的知识面上来看，已经完全突破了传统中式经典教育的内容。
这充分体现了蔡元培的教学理念：——传播广博、先进的文化新知。
曾任国民政府第一任教育部长、行政院秘书长，也是北京大学历史上任职时间最长的校长的蒋梦麟，在回忆自己在中西学堂，学到的新知识对他产生的震撼时写道：
“我在中西学堂里首先学到的一件不可思议的事是地圆学说。我一向认为地球是平的。后来先生又告诉我，闪电是阴电和阳电撞击的结果，并不是电神的镜子里发出来的闪光；雷的成因也相同，并非雷神击鼓所生。这简直使我目瞪口呆。
“从基本物理学我又学到雨是怎样形成的。巨龙在云端张口喷水成雨的观念只好放弃了。了解燃烧的原理以后，我更放弃了火神的观念。过去为我们所崇拜的神佛，像是烈日照射下的雪人，一个接着一个融化。这是我了解一点科学的开端，也是我思想中怪力乱神思想的结束。“
可见当时的中国，科学知识方面的落后，也足以证明，蔡元培正在进行着的事业是何等的伟大。
鉴于当时学堂教术不一，课本不定。蔡元培模仿外国学堂评议之例，于1899年11月发起组织绍兴府学堂学友会。集合有志之士，推动绍兴地区的教育改革。
学友会相约，凡“已通国文溥通学，而究心教术，不沾沾于利禄者”，均引为同志。
规定学友权责为：
一、对学堂办事授业章程“有欢成纠正之责”；
二、学友有志学习算学及外国语者，可住学堂，并可不付膳金，但须为学堂编写教科书，或任检束学生之责；
三、住学堂的学友须以每月15日在学堂集议，无论远近，都须到会；
四、学友住学堂而自愿编写教科书，书成，经各学友评议，足为善本者，即由学堂出资付刻，但仍署编者名。
这注定是个做大事的人。在任绍兴中西学堂总理的两年里，蔡元培不仅仅是在努力做个称职的校长，还时刻关心着整个绍兴地区，乃至放眼天下，心系浙江、全国的教育。
同年12月，蔡元培撰写《绍兴推广学堂议》一文，努力宣传其教育救国的主张。
指出：“由今之道，毋变今之俗，虽荟千圣之粹言，胪五洲之良法，为拙御易车，为拙庖更刀，必无济矣。且今天下志士，所抵掌奋谭，为保国强种之本者，非学堂也哉。”
他呼吁绍兴所属八县改变各自为政的做法，筹集绍兴八县公款，统一兴办学校。在府城设高级、中级学堂各一所，各县城均设一初级学堂，为本省和全国的教育改革树一模范。
但是，革新的路不会是平坦的。在中西学堂的校长任上，时间一长，蔡元培这位翰林校长就几乎快把旧派人士们全给惹恼了。
中西学堂里所聘用的教授西学的教员，如马用锡、杜亚泉、胡道南等人，由于受西方思想影响，常常会在课堂上向学生们灌输“民权”、“女权”等当时世界上的流行的思想和主张。对“君尊民卑”“男重女轻”等传统观念大加驳斥，有时甚至激烈地主张革新政治、改良社会。这样一些言行，很自然的引起校内另外一些传统守旧派教员的强烈不满，新旧思想的碰撞是不可避免的。
比如，每天午餐饭桌上，学堂的教员们聚在一起难免谈及社会风俗和当下的时政。这时，新派的教员就显得人多势众、气势嚣张，他们既冲动而又富于激情。相较之下，传统派的教员就显得势单力薄，拙于应对，每每在和新派教员的辩论中居于下风，在学生面前也就大失面子。
面对新派的嚣张气焰，守旧派的教员们很不甘心，他们认为这是由于蔡校长引进新课目、纵容新风气导致的结果。便跑去向校董徐树兰告状，寻求支持。
徐树兰虽然是个开通之人，但在总体上还是倾向传统派的。对学校的情况不能说完全不知情，也不能没有自己的看法，只是碍于蔡元培是自己请的，又那么努力的做事，而不便干涉。听了这些人的话，感觉到后果是很可怕。特别是戊戌变法的被取缔，造成的一种恐怖的气氛之下，不能不有所顾忌。
庚子年(1900)正月二十六日，他给蔡元培写信，要求蔡元培将当月二十一日清廷的一道有关“正人心”的“上谕”抄录，并挂到学堂的礼堂中。
这则“上谕”的内容，是清廷镇压“戊戌变法”后向同情变法的维新人士发出的一道警告，里面指斥同情与支持变法者为“援引匪人，心怀叵测”，警告士人们今后“自当以名教纲常为己任，以端学术而正人心”。徐树兰借这个举措来表明自己的立场，同时也是对蔡元培的警诫。
蔡元培和徐树兰有特殊情谊，对徐也是很尊重的，但每个人做事都有自己的底线，而底线是不能突破的。没有别的选择，蔡元培只能断然拒绝徐树兰信中的要求。
他在复徐树兰的信中毫不客气地指出，这个上谕“皆黎邙之鬼所为”，“岂有取顽固者之言而崇奉之之理”，他表示自己宁愿辞职，也不做违心之事，他甚至敢冒天下之大不违而直言道，“虽迫之以白刃而不从。盖元培所慕者，独谭嗣同耳”。
明知不能说服徐树兰，也不想让自己这个“忘年交”为难，蔡元培于写信的当日即离开绍兴，前往嵊县。这大概是蔡元培教育生涯中第一次辞职，后经他人从中调解一番，蔡元培不久才又重回绍兴，继续留任中西学堂总理。
在此期间，蔡元培还兼任着嵊县剡山书院和诸暨丽泽书院的院长，为时均一年。在前述辞职期间，他曾到嵊县剡山书院做了几次讲演，并认真地为剡山书院制定了“书约”。
在“书约”中，有这样的话；治学“当以益己、益世为宗旨”，士人应摆脱“应试求官之积习，而急致力于有用之学”。
每次讲演，他都以自己的切身经历现身说法，策励读书人适应时代的变迁。
此外，他还以乡贤身份，受聘于嘉善县宁绍会馆的董事。虽然一身这么多兼职，但他对此同样很用心，多次前往襄理馆务。对会馆的注册及拟定规章，不遗余力，成为他办学之外的又一公益。