蔡伦约61年（东汉永平四年）生，字敬仲，汉族，东汉桂阳郡人。
汉章帝刘炟（56年—88年）即位后，常到各郡县挑选幼童入宫。75年（永平十八年）蔡伦被选入洛阳宫内为太监，当时他约15岁。他读书识字，成绩优异，于76年（建初元年）任小黄门。此后作黄门侍郎，掌管宫内外公事传达及引导诸王朝见、安排就座等事。
正宫窦太后无子，指使蔡伦诬陷章帝妃宋贵人“挟邪媚道”，通令她自杀。宋贵人所生太子刘庆被贬为清河王。窦后又指使人投“飞书”（匿名信）诬陷章帝妃梁贵人，强夺其子刘肇为养子并立为太子。章帝于88年卒，10岁的刘肇登基，为和帝，由窦太后听政。蔡伦因功被提拔为中常侍，随侍幼帝左右，参与国家机密大事，秩俸二千石，地位与九卿等同。中国历史上宦官干预国政，也正由此开始。
97年（永平九年），窦太后卒，和帝亲政。102年（永元十四年）和帝立邓绥为皇后，蔡伦立即投靠邓皇后。邓绥喜欢舞文弄墨，蔡伦为投其所好，甘心屈尊兼任尚方令，主管宫内御用器物和宫廷御用手工作坊。
尚方令本来是少府属官，主管刀剑等各种宫廷御用器具的制造，与中常侍高位根本不相称，但蔡伦尽力讨好，凡是帝、后喜欢的器物，都在尚方精制。邓后喜欢文史和纸墨，曾令各州郡岁贡纸墨，利用供职之便，常到乡间作坊察看，见蚕妇缫丝漂絮后，竹簟上尚留下一层短毛丝絮，揭下似缣帛，可以用来书写，从而得到启发，便收集树皮、废麻、破布、旧鱼网等原料，在宫廷作坊施以锉、煮、浸、捣、抄等法，试用植物纤维造纸，终于造出植物纤维纸。
在此期间，他总结西汉以来造纸经验，改进造纸工艺，利用树皮、碎布（麻布）、麻头、鱼网等原料精制出优质纸张，于105年（元兴元年）他将造纸过程、方法写成奏章，连同造出来的植物纤维纸，呈报汉和帝，和帝大加赞赏，蔡伦造纸术很快传开。人们把这种纸称为“蔡侯纸”，全国“莫不从用焉”。
同年，和帝卒，邓后所生百日婴儿即位，不到二年又卒。邓后再立13岁皇侄刘祜（94年—125年）嗣位，为安帝。刘祜是清河王刘庆之子，但由于他即位初期仍由邓太后把持朝政，蔡伦继续受到重用，114年（元初元年）被封为“龙亭侯”（封地在今陕西洋县龙亭铺镇），食邑三百户，从此进入贵族行列。
约于118年—119年（元初五至六年）蔡伦又被提升为长乐太仆，相当于大千秋，成为邓太后的首席近侍官，受到满朝文武的奉承。正当他权位处于顶峰之际，121年（建光元年）邓太后卒，安帝亲政。蔡伦因为当初受窦后指使参与迫害安帝皇祖母宋贵人致死、剥夺皇父刘庆的皇位继承权而被审讯查办。蔡伦自知死罪难免，于是自尽而亡。
蔡伦的发明创新不止造纸，他主管尚方期间“监作秘剑及诸器械，莫不精工坚密，为后世法”，“有蔡太仆之弩，及龙亭九年之剑，至今擅名天下。”对发展当时的金属冶炼、铸造、锻造及机械制造工艺起到了不小的推动作用。如当时的钢刀制造以炒铁为料，经多次锻打而百炼成钢。当时所制造的器物在质量、性能及外观上确实是精工制造，堪为后世仿效。
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