字季通，号西山，宋建阳崇泰里(今莒口乡)后山人。著名理学家、学者。出身书香门第，从小聪颖过人，博学强记，八岁能诗，十岁日记千言。父蔡发教以《西铭》，元定深领含义。稍长，授以二程《语录》、邵雍《皇极经世》、张载《正蒙》等书，教诲说:“这就是孔孟正脉”。绍兴二十二年(1152年)，父病逝。元定秉承父教，到西山绝顶建屋，刻苦攻读，凡天文、地理、礼乐、兵制与度数，无不贯通。

绍兴二十九年元定往崇安五夫拜朱熹为师。朱熹考询他的学识，大为惊奇地说:“你是我的老友，不当在弟子之列。”各地有前来投拜朱熹的学生，必先令元定考查，凡讲解诸书奥义，学生所难以领会的，必先与元定商讨。

淳熙二年(1175年)，朱熹于建阳云谷建成晦庵草堂，元定也在西山建精舍设“疑难堂”两山相对，夜间悬灯相望，灯暗则示学习有疑难，次日就往来切磋研讨。朱熹赠元定书中有“临风引领仪，已闻采薇歌”的赞语。元定每次拜见朱熹，朱熹必留他讲论数日，晚上对床讲论常通宵达旦。在西山著书立论，年四十不就科举考试。至淳熙十五年尤袤、杨万里将元定的《律吕新书》推荐给朝廷，朝廷召他进京，他坚以疾辞。绍熙四年(1193年)，西游湖北襄阳、汉口，渡江经南京至杭州，游西湖，历经名胜大川。

元定不仅是朱熹的得意门生，也是十分亲密的好友，在教学和著述上，是朱熹的左肱右臂。元定的见解有超越于朱熹的，总是倾诚相告，据理分析;凡经书深奥怪僻的词句，元定过目就理解。朱熹赞称:“人读易书难，季通读难书易”。朱熹的许多著作都包括元定的思想。朱熹注解《四书》和编写《伊洛渊源录》、《诗集传》、《近思录》、《通鉴》等著作，均与元定共同参订。《易学启蒙》一书，元定起稿至“论易”。朱熹对《河图》、《洛书》、《皇极经世》的研究，都从元定的独到见解而受到启发。元定的学生翁易说:“晦翁(指朱熹)注释诸书，因先生(指元定)辩论有所启发之处不少。”《论语》、《孟子》、《大学》、《中庸》和“六经”等书的讲论与文公并驰其功，朱熹说:“交游四十年，于学无所不讲，所赖以祛蒙蔽者多”。晚年亲自编辑蔡元定与自己讲论学术的言论为《翁季录》，以表明元定对自己的著述具有股肱之力。

元定的《皇极经世》，对邵雍的学术思想作了深入的研究，显微阐幽。《律吕新书》沿中国古代音乐中的十二个音律，把音高分成十二个音阶，用十二天干和十二个月与之相配。在十二律中添加六个变律，有新的创见，是中国音乐史上的名著。

元定著《八阵图说》一书，以为旧本《八阵图》残缺不全，读者难以看懂，因此用心详究，探明阵法道理，编辑注释成书。正如朱熹所说:“辽金倔强，淹有中原，无能制之者。是其文事虽备，武略不竟，此季通《八阵图说》所以有益于世也。”

庆元二年(1196年)，权臣韩侂胄专权，南宋朝廷设“伪学”之禁，打击政敌赵汝愚，并及道学儒士。朱熹落职，蔡元定被发遣道州(今属湖南)。翌年三月诏下，不屑之徒抄了元定的家，州县急令捕元定。元定未向家里告别，立即上路。朱熹与从学者数百人在萧屯靖安寺(今考亭下保)等候，元定乘船到瀛州桥头，朱喜出迎入方丈室饯行。座中有感伤而下泪的，元定却泰然自若，谈论不异平时。临行赋诗云:“执手笑相别，毋为儿女悲!”朱熹见此情景，不禁叹惜说:“朋友相爱之情，季通不屈之志，可谓有两得之矣。”次日，朱熹送行到县西20华里的马伏，共宿于寒泉精舍。当晚两人校订《参同契》，通宵不寐。元定与子蔡沉，穿着草鞋步行三千里，到了道州，闭户读书，毫不悲怨，小屋挂上“愆”字。道州远近士子，听到他的声名，纷纷来求教。爱护元定的人建议说，应该谢绝前来求学的学生。元定说:“他以求学而来，何忍拒之”，“若有祸患，亦非闭门塞窦所能避也。”庆元四年八月初九日，元定病逝于贬所，终年64岁。临终写信与朱熹永别，犹以“师道未立为忧”。不久，旨下许归葬。子蔡沉扶棺回建阳，同年十一月葬于建阳崇泰里(今莒口乡)后山陈布村翠岚之源。朱熹题碑曰:“有宋蔡君季通之墓”。

元定所著之书有《大衍详说》、《律吕新书》、《燕乐原辩》、《皇极经世指要》、《太玄潜虚指要》、《洪范解》、《八阵图说》、《阴符经解》、《运气节略》、《脉书》以及书帖，杂识共数十卷。