后因弹劫宦官，遭诬陷，流放朔方。遇赦后，不敢归里，亡命江湖十余载。献帝时，董卓专权，强令邕人都为侍御史，拜左中郎将。迁都长安后，封高阳乡候。董卓遭诛后，他亦被捕，死于狱中。汉献帝时曾拜左中郎将，故后人也称他“蔡中郎”。

蔡邕少时师事太傅胡广，博学多识。通经史，喜好数术、天文，妙操音律，善鼓琴、绘画，擅长辞章，精工篆隶，尤以隶书著称。他善于总结前人用笔经验，融会贯通，并形成自己的风格。其书结构严整，点画俯仰，变化自如，有“体法百变，穷灵尽炒，独步古今”之誉(唐张怀瓘《书断》)南朝梁武帝亦称其书“骨气洞达，爽爽有神力”(《古今书人优劣评》)。

汉灵帝熹平四年蔡邕等正定儒家经本六经文字。蔡邕认为这些经籍中，由于俗儒芽凿附会，文字误谬甚多，为了不贻误后学，而奏请正定这些经文。诏允后，邕亲自书丹于碑，命工镌刻，立于太学门外，碑凡46块，这些碑称《鸿都石经》，亦称《熹平石经》。（见下图）

太学旧址在今洛阳市，碑立太学门前。据说石经立后，每天观看及摹写人坐的车，有100O多辆。

相传又曾于鸿都门，见工匠用扫白粉的帚在墙上写字，受到启发，归而创“飞白书”。这种书体，笔画中丝丝露白，似用枯笔写成，为一种独特的书体，唐张怀瓘《书断》评论蔡邕飞白书时说“飞白妙有绝伦，动合神功”。

蔡邕不仅是东汉的大书法家，而且是汉代书法理论的集大成者。传世书论有《篆势》、《笔赋》、《笔论》、《九势》等，尤其是《笔论》和《九势》，在中国书论史上占有重要地位。其《笔论》开篇就提出“书者，散也”的著名论断，论述了书法抒发情怀的艺术本质，以及书家创作时应有的精神状态。随后则论及书法作品应取法、表现大自然中各种生动、美好的物象，强调书法艺术应讲求形象美。《九势》首先提出了“书肇于自然，自然既立，阴阳生焉；阴阳既生，形势出矣”的重要思想，揭示了书法美的哲学根据，阐发了汉字结构本身所蕴含的美感因素。接着，他又阐述了八种运笔规则，要求通过运笔来表现生动有力的笔势。故亦有题作《九势八字诀》的。蔡氏的这些重要思想和观点，具有重大指导意义，为中国书法的发展奠定了理论基础。
《笔论》和《九势》都被收入宋代陈思的《书苑菁华》一书，才得以保存流传至今。

蔡邕因负盛名，所以后世把一些碑刻和论著附合成蔡邕名义的伪作也不少。据说其真迹在唐时已经罕见。

《熹平石经》传为蔡邕所书。碑石共46个，几经动乱，原碑早已无存。自宋以来，常有残石出上，据说现已集存8000多字，字体方正，结构谨严，是当时通行的标准字体。