蔡卞，字元度，兴化仙游人，与蔡京同年考中进士，调为江阴主簿。王安石的女儿是他妻子，因此他师从王安石。元丰中期，张..推荐他为国子直讲，加官集贤校理、崇政殿说书，升为起居舍人，历任同知谏院、侍御史。任职不久，都因王安石为执政，他避亲嫌而辞官。他被任命为中书舍人兼侍讲，升为给事中。
哲宗即位后，蔡卞升任礼部侍郎。他出使辽国，辽人很熟悉他的名字。恰巧蔡卞染上寒病，辽国的接待者受命用白驰车拉他，并说：“你乘坐白驰车，是特殊的礼节了。”出使辽国回来，他以龙图阁待制的身份为宣州知州，转到江宁府，历任扬、广、越、润、陈五州知州。广州宝物很多，他一无所取。等调到越州，夷人得知他要离开，就用蔷薇露洒在衣服上送他。
绍圣元年(1094)，他重新为中书舍人，上疏说：“先帝的盛德大业，高于千古之上，发扬光大，全在史册。但实录所记，多数有疑问没根据，请验证审订，重新刊定，使后世人考察，没有迷惑。”皇上下诏允许。以蔡卞兼任国史修撰。当初，王安石将去世，后悔他所做的《日录》，命令他的侄子王防烧掉它，王防用别的书代替《日录》。这时，蔡卞到王防家搜取《日录》献给皇上，趁机除去事实，文饰奸伪，实录、正史都被修改，于是吕大防、范祖禹、赵彦若、黄庭坚都受到重责。蔡卞升任翰林学士。
绍圣四年，蔡卞被任命为尚书左丞，他专靠“绍述”之说，上欺天子，下压群臣。凡是中伤忠良的事，他都秘密禀奏皇上，然后请皇上亲下诏书，颁布施行。章..虽是大奸，但还在他的控制中，章..轻率，不善思考，而蔡卞阴险寡言，朝堂议论时，章..总是说出很多，蔡卞常闭口不言。当时议论的人认为章..的心迹容易明白，蔡卞的心难见。
徽宗即位，谏官陈馞、任伯雨，御史龚艼弹奏蔡京、蔡卞的奸恶，陈馞列举蔡卞遵私史以压宗庙的罪状，任伯雨说：“蔡卞的罪恶超过章..，去年数千人上密封的章奏请求杀章..、蔡卞，公议由此可见啊。”于是列出蔡卞六大罪状，是“诬蔑宣仁圣烈后的保佑之功，想要废去她的尊号，此其一；凡是绍圣以来被贬逐的官僚，都是蔡卞先弹奏而后实行的，此其二；后宫中出现用巫术诅咒人的事，哲宗正在怀疑，不知如何处置，章..想让礼法官讨论，蔡卞说：‘已经犯法了，还用礼法官议论什么？’皇后因此获罪，此其三；编排元..时的章奏，谗毁其中的语言，使数千人获罪，议论出于蔡卞，此其四；邹浩因上疏忤犯圣旨，蔡卞激怒哲宗，使邹浩遭贬到远方，又请求对送别他的亲朋治罪，此其五；蹇序辰建议看详诉理，章..迟疑不决，蔡卞就以他怀有二心逼迫他，章..沉默不敢回答，当天就定案，士大夫有八百三十家获罪，这都是蔡卞的主意而章..执行的，此其六。希望立即明正典刑，以谢天下。”皇上下诏让蔡卞以资政殿学士的身份出任江宁知府，连续贬官为少府少监，分管池州。
才过一年，蔡卞被起用为大名知府，调到扬州，被召用为中太一宫使，升任知枢密院。当时蔡京为宰相，蔡卞辞职，皇上不许。皇上谋求收复湟、鄯二地，问蔡卞，蔡卞回答王厚、高永年可担当此任。他与蔡京合谋，拿出全部府藏用于边事，召募商人运粮，不再问粮价的贵贱。鄯、廓二处达到一斗米四千钱，一束草料一千二百钱，陕西受到骚扰。等到夺取三州后，蔡卞升为金紫光禄大夫，高永年竟被部下抓去投降了敌人。从此西方战事连年不断，蔡卞追究仇人任伯雨所说的话，为自己辩解。甚至想下狱惩治，从前弹劾他的人都遭贬。
蔡卞心怀奸邪，一心认为岳父王安石的所作所为最完美。他哥哥蔡京升官晚于他，但官位在上，使他不能任宰相，故此枢密、中书二府政事常有不合。蔡京用皇上的旨意任童贯为陕西制置使，蔡卞说不应用宦官，右丞张康国引用李宪的先例来回答，蔡卞说：“用李宪已不是好事，李宪还稍稍懂兵，童贯没有军事才能，他时定会贻误边防大事。”皇上命令中书执行。蔡京在皇上面前诋毁蔡卞，蔡卞请求辞官，皇上就让他以资政殿大学士的身份出任河南知府。
妖人张怀素败露，蔡卞一向与他友好，称他的道术通神，曾结识孔子、汉高祖，甚至称他为大士，蔡卞受牵连而降职。不久他被加官为观文殿学士，任为昭庆军节度使，入朝为侍读，进升为检校少保、开府仪同三司，调为镇东节制。
政和末年，蔡卞请求归京，在途中去世。终年六十岁。死后他被赠官为太傅，谥号“文正”。高宗即位后，追责他的罪状，贬为宁国军节度副使。绍兴五年(1135)，又被贬为单州团练副使。