在歐洲，蔡元培滯留了五個月，以在法國的時間爲最長。他曾先後遊歷了瑞士、比利時、德國、奧地利、意大利、荷蘭和英國。原擬是要去丹麥的，因遭遇海員罷工，未能成行。
這一期間，他走訪了包括巴黎、柏林、牛津、劍橋等在內的幾十所大學，詳細考察這些學校的傳統、辦學特點、管理體制及專業設置等情況，可謂收穫滿滿；他對法國的大學區教育體制特別感興趣。
在英國愛丁堡的一次演說中，他發表感想說：國內正在倡行地方自治，採用法式大學區制，可以解決各省地方教育的提高和管理問題。不過，法國大學區的權力過分集中於校長一人，擬應該作變通，設立評議會統攬其權。這一認識，是蔡元培日後在國內進行大學區實驗的思想基源。
爲提高教育行政管理效率，拿破崙建立了中央集權的教育領導體制。1808年設立的帝國大學，成爲全國最高的教育領導機構，大學首腦稱總監，由拿破崙直接委派；同時將全國分爲27個“大學區”，設學區總長，由總監任命。大學區制的特點：教育管理權力高度集中；全國實施學區制管理；開辦任何學校機構必須得到國家的批准；一切公立學校的教師都是國家的官吏。法國的大學區教育體制，奠定了近代法國教育制度，並深深影響着法國的現代教育。
在此期間，蔡元培還與西歐各國的知識精英和教育行政官員進行了廣泛的接觸。3月8日，他偕李聖章，訪問了坐落在巴黎的鐳錠研究所，會晤了居里夫人。
在1921年3月8日的日記中，蔡元培詳細記述了拜訪居里夫人的情形。
這一天早晨，春寒料峭，蔡元培與北大教授、北平中法大學校長李聖章一起，沿着美麗的塞納河來到巴黎大學，穿過幾條濃蔭大道，找到了鐳學研究所。這是一幢由巴黎大學與巴斯德研究院共同出資建造的學院式白色建築，門柱石壁上鐫刻着一排漂亮的法文字母:“鐳學研究所——居里樓”。
居里夫人的秘書先引導蔡元培參觀鐳學研究所的居里實驗室。實驗室比較簡陋，裡面裝有特製的擴聲機，不時傳出鐳質的“躍散之聲”，這給蔡元培留下深刻印象。
一見面，蔡元培深爲居里夫人的美麗和“樸質誠懇”所感染。居里夫人身材修長，身着黑色長裙。手上有一些鹽鹼的燒痕，一頭金髮盤在頭頂，露出高高的額頭。白淨端莊的臉龐顯出堅定又淡泊的神情，那雙微微內陷的藍色大眼睛，讓人覺得能看透一切，看透未來。
居里夫人對遠道而來的蔡元培十分熱情。一番問候之後，蔡元培便用法語向居里夫人介紹說，中國對各種新文化、新科技十分渴望，這次慕名而來，就是想聆聽她的教誨，並希望她能到中國訪問。蔡元培還介紹，這段時間，美國哥倫比亞大學教授、實用主義哲學集大成者杜威和英國著名哲學家、數學家羅素就在中國講學，受到了熱烈歡迎。
居里夫人對中國熱情邀請外國學者去訪問交流的做法深表讚許。她還詢問蔡元培:“中國與歐洲不同，沒有戰爭，一定可以把多數的財力用在教育和學術研究之上吧？”
居里夫人痛恨侵略者，小時候，她的祖國波蘭被沙俄侵佔，從青年時代起就遠離祖國到法國求學。當時，愛好和平的居里夫人可能對中國局勢不太瞭解，不知道中國正在軍閥混戰、內戰不斷。蔡元培無言以對，只好點點頭。
居里夫人接着又建議:“中國也不能沒有類似試驗研究鐳錠的機構。這樣的機構假如設在北京，環境肯定比較清靜，不像巴黎那麼嘈雜而多煙塵。”
看來，居里夫人對自己的試驗室不太滿意，可就在這樣的實驗室裡，她完成了有關放射性研究的論文500多篇。
當時，蔡元培已經瞭解到居里夫人要去美國訪問，想邀請居里夫人來中國，所以就關切地問:“夫人您什麼時候去美國呀？”
“在今年暑假裡，已經定下來了。”居里夫人回答。
蔡元培急切地說:“我們專程來邀請您到中國訪問。您能否在訪美之後，到中國去講學？”
居里夫人遺憾地說:“暑假裡留下的時間不多了，今年可能去不成了。”但她又接着表示很願意去中國:“以後的暑假裡，我會安排到中國。”
“我們盼望您早一天來中國！”蔡元培熱情邀請道。
通過這次拜訪，居里夫人對中國的良好印象，對科技事業的關心和希望訪問中國的願望，令蔡元培十分感動。
雖未能成功邀約居里夫人訪問中國，但蔡元培依然十分關注居里夫人的科學事業，對其偉大發現也有極高評價。
1929年3月8日，蔡元培在《三八婦女節演說詞》中，大力倡導“男女平權”，認爲婦女在政治、經濟、教育上所發揮的作用與男子“不能相等”，尤其感慨:“在高等教育上，如法國居利(裡)夫人的有若干人？”
1932年8月，蔡元培在《申報》月刊發表的《六十年來之世界文化》一文中指出:“在科學界，物質不滅之信條，久爲學者所公認；然自一八九八年居利(裡)夫婦發現鐳錠以後，因其放射的作用，而有原子崩潰說；於是知‘不滅’之說，爲相對的而非絕對的。”
由於時常受到放射性元素的侵襲，1934年7月4日，居里夫人不幸患惡性貧血症與世長辭，把生命貢獻給了這門科學。
聞此噩耗，蔡元培十分悲痛。1934年7月8日，他用法文致唁電以示悼念:“巴黎大學校長先生:驚悉居里夫人逝世，謹代表中央研究院致以悼忱！深感她的逝世是法國科學界的巨大損失，敬請代向其家屬致意。蔡元培。”
1921年3月16日，蔡元培訪德期間，在當時留學柏林並與愛因斯坦交往的北大物理教授夏元瑮陪同下，拜訪愛因斯坦。愛因斯坦表示他將訪問美國，當時不能到亞洲，但樂意在不久的將來訪問中國。
在柏林留學的北大教員朱家驊代表北大繼續與愛因斯坦商討，希望愛因斯坦來講學一年。愛因斯坦說，從美國回來後，中國將是他出訪的下一站。
1922年3月，上任不久的駐德公使魏宸組電告蔡元培，愛因斯坦將應邀訪問日本，願意途中訪問中國半個月，詢問條件。愛因斯坦還爲此事走訪了中國領事館。
3月21日，朱家驊致信愛因斯坦，說魏公使不知道他們之前的交流，北大希望愛因斯坦來講學一年，並提醒愛因斯坦，他曾說過從美國回來後，中國將是他出訪的下一站。又詢問愛因斯坦將去日本多久，希望他先去北京。還說中國學界將熱烈歡迎他，但是會遺憾他只來兩週。
25日，愛因斯坦回信表示，以前提出的日期與其他事情衝突，建議的酬金也不夠，現在日本已用充足資助邀請他訪問四個星期，在此情況下可以再來中國兩個星期。他不知道日本方面是否堅持他先去日本，但是希望如此，因爲冬天中國比日本暖和點，而訪問兩國計劃是從11月中旬到1月初。
日本首先給出了合適的條件，因此某種意義上有優先權，儘管中國的邀請在先。
愛因斯坦最後寫道：“我迫切希望能夠與您達成您完全滿意的協議，從而能親眼目睹東亞文化的搖籃。”
4月8日，蔡元培通過駐德使館回覆愛因斯坦，表示熱烈歡迎，承諾北大將提供愛因斯坦在北京的食宿以及每月1000中國元。魏宸組當天就致函愛因斯坦，轉達蔡元培回覆。
5月3日，愛因斯坦回覆魏宸組：“有些國家所給條件比北大高得多，其中有一些，比如美國的幾所，已經付出酬金了。如果接受北大的條件將對這些國家不公。”
愛因斯坦表示願意訪問北京大學兩個星期，作幾場演講，要求北大支付1000美元報酬，以及承擔他夫婦從東京至北京、再去香港的旅費，以及在北京的旅館費。
因爲北京大學的財政困難，蔡元培在取得梁啓超的承諾支持後，電告魏宸組：“條件照辦，請代訂定。”
7月22日，魏宸組致信愛因斯坦，表示北大接受了他的條件，並將愛因斯坦提出的條件詳細複述。還說“北大校方因爲能在北京歡迎您而高興。”
7月24日，愛因斯坦回覆:“擬於新年前後到北京。”
1922年11月13日上午，愛因斯坦夫婦乘坐“北野丸號”抵達上海，14日下午3點離開上海，11月17日到達日本神戶。
第一次途經上海時，愛因斯坦說七星期後來中國正式訪問，應邀去北京大學、金陵大學演講，如有時間，也將在上海演講，包括在聖約翰大學。
1922年12月17日，愛因斯坦給夏元瑮的回信：“今日接來書，甚爲欣喜。然予恐不能來北京，對於君之盛意，實異常抱歉。此次在日本，以種種原因，費時太久，遊中國、印度之決心，竟不能見諸事實。北京如此之近，而予之夙願，終不得賞，其悵悵之情，君當可想像也。現以要事，急須西歸，不能與君一晤，止能函告一切，君之盛情，敬心領矣。然予甚期望，君不久再來歐洲，吾等仍可會談也。 尊夫人之處，亦乞問候。”
5天之後，愛因斯坦又收到蔡元培的信。
愛因斯坦第一次途徑上海時，蔡元培沒有與他聯繫。
愛因斯坦離開上海後，蔡元培就開始爲這封信收集多人的簽名，12月8日發出此信：
“您在日本的旅行及工作正在此間受到極大的關注，整個中國正準備張開雙臂歡迎您。您無疑仍然記得我們通過駐柏林的中國公使與您達成的協議。我們正愉快地期待您履行次約。如能惠告您抵華之日期，我們將非常高興。我們將做好必需的安排，以儘可能減輕您此次訪華之旅的辛勞。”
愛因斯坦12月22日回信：“雖然極願意有從前鄭重的約言而我現在不能到中國來，這於我是一種重大的苦痛。我到日本以後，等了五個星期，不曾得到北京方面的消息。那時我推想，恐怕北京大學不打算踐約了。因此我想也不便同尊處奉詢。還有，上海斐司德博士——像是受先生的全權委託——曾向我提出與我們從前約定相牴觸的留華的請求，我也因此揣測先生不堅決履行前約。因此種種關係，我將預備訪視中國的時間也移在日本了，並且我的一切的旅行計劃也都依着“中止赴華”這個前提而規定。
“今日接到尊函，我才知道是一種誤解，但是我現在已經不能追改我的旅程。我今希望先生鑑諒，因爲先生能夠想見，倘使我現在能到北京，我的興趣將如何之大。如今我切實希望，這種因誤解而發生的延誤，將來再有彌補的機會。”
儘管蔡元培付出了千辛萬苦的努力，邀請愛因斯坦到北大講學的願望終於沒能實現。