蔡卞，字元度，蔡京之弟。生于宋仁宗庆历八年（1048），泉州府（兴化军）仙邑慈孝里赤岭境（今仙游县枫亭镇东宅赤岭自然村）人。蔡卞小时聪颖敏悟，就读于枫亭塔斗山青螺草堂（后易会心书院），他读书过目不忘，才思敏捷，能把《三字经》、《千字文》等启蒙读物倒背如流，《四书》、《五经》经典也烂熟于心，且史籍方志，百家杂说，国家法典无不浏览殆遍，触类旁通。他学识渊博，满腹经纶，才华出众，名闻乡里。
宋神宗熙宁三年（1070），蔡卞与胞兄蔡京同科举登进士第，翌年，被授任江苏江阴县主簿，其时当地大富豪顾新元等人，趁着青黄不接之际，借谷物于庶民，利息高出平时一倍。蔡卞同情百姓疾苦，极力推行王安石的青苗法，断然开仓借粮，以解百姓燃眉之急，煞住不法富人趁火打劫的嚣张气焰，免除农民遭受高利贷剥削之苦，因而受到王安石器重，招他为婿。
徽宗建中靖国元年（1101），谏官陈瓘、任伯雨、御史龚夬联合弹劾蔡卞劣迹曰：“卞尊私史，以压宗庙之恶，有过于惇，去年封事，数千人皆乞斩惇、卞，公议于此可见矣。”陈 还罗列蔡卞六条罪恶：因诬罔宣仁圣烈保佑之功，欲行追废；凡绍圣以来窜逐臣僚，皆由卞启齿之后施行；宫中厌胜事作，哲宗方疑未知所处，惇欲礼法通议，卞云：“既犯法矣，何用议为”。皇后以是得罪；编排元祐章牍，萋菲语言、被罪者数千人，议自卞出；邹浩以言忤旨，卞激怒哲宗，致之遭远谪，又请治其亲故送别之罪；蹇序辰建看详诉理之议，惇迟疑未应，卞即以二心之言迫之，惇默言不敢反对，即日置局，士大夫得罪者八百三十家，凡此皆由卞谋之，而惇行之。陈瓘等人要求圣上亟待正典刑，以谢天下。
蔡卞后被降为少府少监，分司南京，到池州居住，翌年又起知大名府，徙扬州，召为中太一宫使，后擢知枢密院事，负责边防、军备等机要事务。时蔡京居相位，他以亲嫌辞，没有评可。他赞成徽宗、蔡京收复湟州、鄯廓等地，因功进金紫光禄大夫。
蔡卞反对蔡京重用宦官童贯为陕西制置使。在其他政事上，他的主张也多与蔡京不同，因此受到蔡京的诋毁，他以天章阁学士出知河南，时张怀素败下，卞素与之游之，因此一起降职，旋加观文殿学士，拜昭庆军节度使，入为侍读，进检校少保，开府仪同三司，累迁镇东军节度使。
徽宗政和七年（1117），蔡卞告假返乡祭祖，逝于途中，享年70岁，赠太傅，谥文正。高宗即位，追责为宁国军节度副使，绍兴五年（1136）又贬单州团练副使。著有《毛诗名物解》，与蔡京编撰《宣和书谱》、《宣和画谱》各20卷。