在欧洲，蔡元培滞留了五个月，以在法国的时间为最长。他曾先后游历了瑞士、比利时、德国、奥地利、意大利、荷兰和英国。原拟是要去丹麦的，因遭遇海员罢工，未能成行。
这一期间，他走访了包括巴黎、柏林、牛津、剑桥等在内的几十所大学，详细考察这些学校的传统、办学特点、管理体制及专业设置等情况，可谓收获满满；他对法国的大学区教育体制特别感兴趣。
在英国爱丁堡的一次演说中，他发表感想说：国内正在倡行地方自治，采用法式大学区制，可以解决各省地方教育的提高和管理问题。不过，法国大学区的权力过分集中于校长一人，拟应该作变通，设立评议会统揽其权。这一认识，是蔡元培日后在国内进行大学区实验的思想基源。
为提高教育行政管理效率，拿破仑建立了中央集权的教育领导体制。1808年设立的帝国大学，成为全国最高的教育领导机构，大学首脑称总监，由拿破仑直接委派；同时将全国分为27个“大学区”，设学区总长，由总监任命。大学区制的特点：教育管理权力高度集中；全国实施学区制管理；开办任何学校机构必须得到国家的批准；一切公立学校的教师都是国家的官吏。法国的大学区教育体制，奠定了近代法国教育制度，并深深影响着法国的现代教育。
在此期间，蔡元培还与西欧各国的知识精英和教育行政官员进行了广泛的接触。3月8日，他偕李圣章，访问了坐落在巴黎的镭锭研究所，会晤了居里夫人。
在1921年3月8日的日记中，蔡元培详细记述了拜访居里夫人的情形。
这一天早晨，春寒料峭，蔡元培与北大教授、北平中法大学校长李圣章一起，沿着美丽的塞纳河来到巴黎大学，穿过几条浓荫大道，找到了镭学研究所。这是一幢由巴黎大学与巴斯德研究院共同出资建造的学院式白色建筑，门柱石壁上镌刻着一排漂亮的法文字母:“镭学研究所——居里楼”。
居里夫人的秘书先引导蔡元培参观镭学研究所的居里实验室。实验室比较简陋，里面装有特制的扩声机，不时传出镭质的“跃散之声”，这给蔡元培留下深刻印象。
一见面，蔡元培深为居里夫人的美丽和“朴质诚恳”所感染。居里夫人身材修长，身着黑色长裙。手上有一些盐碱的烧痕，一头金发盘在头顶，露出高高的额头。白净端庄的脸庞显出坚定又淡泊的神情，那双微微内陷的蓝色大眼睛，让人觉得能看透一切，看透未来。
居里夫人对远道而来的蔡元培十分热情。一番问候之后，蔡元培便用法语向居里夫人介绍说，中国对各种新文化、新科技十分渴望，这次慕名而来，就是想聆听她的教诲，并希望她能到中国访问。蔡元培还介绍，这段时间，美国哥伦比亚大学教授、实用主义哲学集大成者杜威和英国著名哲学家、数学家罗素就在中国讲学，受到了热烈欢迎。
居里夫人对中国热情邀请外国学者去访问交流的做法深表赞许。她还询问蔡元培:“中国与欧洲不同，没有战争，一定可以把多数的财力用在教育和学术研究之上吧？”
居里夫人痛恨侵略者，小时候，她的祖国波兰被沙俄侵占，从青年时代起就远离祖国到法国求学。当时，爱好和平的居里夫人可能对中国局势不太了解，不知道中国正在军阀混战、内战不断。蔡元培无言以对，只好点点头。
居里夫人接着又建议:“中国也不能没有类似试验研究镭锭的机构。这样的机构假如设在北京，环境肯定比较清静，不像巴黎那么嘈杂而多烟尘。”
看来，居里夫人对自己的试验室不太满意，可就在这样的实验室里，她完成了有关放射性研究的论文500多篇。
当时，蔡元培已经了解到居里夫人要去美国访问，想邀请居里夫人来中国，所以就关切地问:“夫人您什么时候去美国呀？”
“在今年暑假里，已经定下来了。”居里夫人回答。
蔡元培急切地说:“我们专程来邀请您到中国访问。您能否在访美之后，到中国去讲学？”
居里夫人遗憾地说:“暑假里留下的时间不多了，今年可能去不成了。”但她又接着表示很愿意去中国:“以后的暑假里，我会安排到中国。”
“我们盼望您早一天来中国！”蔡元培热情邀请道。
通过这次拜访，居里夫人对中国的良好印象，对科技事业的关心和希望访问中国的愿望，令蔡元培十分感动。
虽未能成功邀约居里夫人访问中国，但蔡元培依然十分关注居里夫人的科学事业，对其伟大发现也有极高评价。
1929年3月8日，蔡元培在《三八妇女节演说词》中，大力倡导“男女平权”，认为妇女在政治、经济、教育上所发挥的作用与男子“不能相等”，尤其感慨:“在高等教育上，如法国居利(里)夫人的有若干人？”
1932年8月，蔡元培在《申报》月刊发表的《六十年来之世界文化》一文中指出:“在科学界，物质不灭之信条，久为学者所公认；然自一八九八年居利(里)夫妇发现镭锭以后，因其放射的作用，而有原子崩溃说；于是知‘不灭’之说，为相对的而非绝对的。”
由于时常受到放射性元素的侵袭，1934年7月4日，居里夫人不幸患恶性贫血症与世长辞，把生命贡献给了这门科学。
闻此噩耗，蔡元培十分悲痛。1934年7月8日，他用法文致唁电以示悼念:“巴黎大学校长先生:惊悉居里夫人逝世，谨代表中央研究院致以悼忱！深感她的逝世是法国科学界的巨大损失，敬请代向其家属致意。蔡元培。”
1921年3月16日，蔡元培访德期间，在当时留学柏林并与爱因斯坦交往的北大物理教授夏元瑮陪同下，拜访爱因斯坦。爱因斯坦表示他将访问美国，当时不能到亚洲，但乐意在不久的将来访问中国。
在柏林留学的北大教员朱家骅代表北大继续与爱因斯坦商讨，希望爱因斯坦来讲学一年。爱因斯坦说，从美国回来后，中国将是他出访的下一站。
1922年3月，上任不久的驻德公使魏宸组电告蔡元培，爱因斯坦将应邀访问日本，愿意途中访问中国半个月，询问条件。爱因斯坦还为此事走访了中国领事馆。
3月21日，朱家骅致信爱因斯坦，说魏公使不知道他们之前的交流，北大希望爱因斯坦来讲学一年，并提醒爱因斯坦，他曾说过从美国回来后，中国将是他出访的下一站。又询问爱因斯坦将去日本多久，希望他先去北京。还说中国学界将热烈欢迎他，但是会遗憾他只来两周。
25日，爱因斯坦回信表示，以前提出的日期与其他事情冲突，建议的酬金也不够，现在日本已用充足资助邀请他访问四个星期，在此情况下可以再来中国两个星期。他不知道日本方面是否坚持他先去日本，但是希望如此，因为冬天中国比日本暖和点，而访问两国计划是从11月中旬到1月初。
日本首先给出了合适的条件，因此某种意义上有优先权，尽管中国的邀请在先。
爱因斯坦最后写道：“我迫切希望能够与您达成您完全满意的协议，从而能亲眼目睹东亚文化的摇篮。”
4月8日，蔡元培通过驻德使馆回复爱因斯坦，表示热烈欢迎，承诺北大将提供爱因斯坦在北京的食宿以及每月1000中国元。魏宸组当天就致函爱因斯坦，转达蔡元培回复。
5月3日，爱因斯坦回复魏宸组：“有些国家所给条件比北大高得多，其中有一些，比如美国的几所，已经付出酬金了。如果接受北大的条件将对这些国家不公。”
爱因斯坦表示愿意访问北京大学两个星期，作几场演讲，要求北大支付1000美元报酬，以及承担他夫妇从东京至北京、再去香港的旅费，以及在北京的旅馆费。
因为北京大学的财政困难，蔡元培在取得梁启超的承诺支持后，电告魏宸组：“条件照办，请代订定。”
7月22日，魏宸组致信爱因斯坦，表示北大接受了他的条件，并将爱因斯坦提出的条件详细复述。还说“北大校方因为能在北京欢迎您而高兴。”
7月24日，爱因斯坦回复:“拟于新年前后到北京。”
1922年11月13日上午，爱因斯坦夫妇乘坐“北野丸号”抵达上海，14日下午3点离开上海，11月17日到达日本神户。
第一次途经上海时，爱因斯坦说七星期后来中国正式访问，应邀去北京大学、金陵大学演讲，如有时间，也将在上海演讲，包括在圣约翰大学。
1922年12月17日，爱因斯坦给夏元瑮的回信：“今日接来书，甚为欣喜。然予恐不能来北京，对于君之盛意，实异常抱歉。此次在日本，以种种原因，费时太久，游中国、印度之决心，竟不能见诸事实。北京如此之近，而予之夙愿，终不得赏，其怅怅之情，君当可想像也。现以要事，急须西归，不能与君一晤，止能函告一切，君之盛情，敬心领矣。然予甚期望，君不久再来欧洲，吾等仍可会谈也。 尊夫人之处，亦乞问候。”
5天之后，爱因斯坦又收到蔡元培的信。
爱因斯坦第一次途径上海时，蔡元培没有与他联系。
爱因斯坦离开上海后，蔡元培就开始为这封信收集多人的签名，12月8日发出此信：
“您在日本的旅行及工作正在此间受到极大的关注，整个中国正准备张开双臂欢迎您。您无疑仍然记得我们通过驻柏林的中国公使与您达成的协议。我们正愉快地期待您履行次约。如能惠告您抵华之日期，我们将非常高兴。我们将做好必需的安排，以尽可能减轻您此次访华之旅的辛劳。”
爱因斯坦12月22日回信：“虽然极愿意有从前郑重的约言而我现在不能到中国来，这于我是一种重大的苦痛。我到日本以后，等了五个星期，不曾得到北京方面的消息。那时我推想，恐怕北京大学不打算践约了。因此我想也不便同尊处奉询。还有，上海斐司德博士——像是受先生的全权委托——曾向我提出与我们从前约定相抵触的留华的请求，我也因此揣测先生不坚决履行前约。因此种种关系，我将预备访视中国的时间也移在日本了，并且我的一切的旅行计划也都依着“中止赴华”这个前提而规定。
“今日接到尊函，我才知道是一种误解，但是我现在已经不能追改我的旅程。我今希望先生鉴谅，因为先生能够想见，倘使我现在能到北京，我的兴趣将如何之大。如今我切实希望，这种因误解而发生的延误，将来再有弥补的机会。”
尽管蔡元培付出了千辛万苦的努力，邀请爱因斯坦到北大讲学的愿望终于没能实现。