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，不知道中国也正在军阀混战、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。”