蔡卞，字元度，蔡京之弟。生于宋仁宗慶歷八年（1048），泉州府（興化軍）仙邑慈孝里赤嶺境（今仙游縣楓亭鎮東宅赤嶺自然村）人。蔡卞小時聰穎敏悟，就讀于楓亭塔斗山青螺草堂（后易會心書院），他讀書過目不忘，才思敏捷，能把《三字經》、《千字文》等啟蒙讀物倒背如流，《四書》、《五經》經典也爛熟于心，且史籍方志，百家雜說，國家法典無不瀏覽殆遍，觸類旁通。他學識淵博，滿腹經綸，才華出眾，名聞鄉里。

宋神宗熙寧三年（1070），蔡卞與胞兄蔡京同科舉登進士第，翌年，被授任江蘇江陰縣主簿，其時當地大富豪顧新元等人，趁著青黃不接之際，借谷物于庶民，利息高出平時一倍。蔡卞同情百姓疾苦，極力推行王安石的青苗法，斷然開倉借糧，以解百姓燃眉之急，煞住不法富人趁火打劫的囂張氣焰，免除農民遭受高利貸剝削之苦，因而受到王安石器重，招他為婿。

徽宗建中靖國元年（1101），諫官陳瓘、任伯雨、御史龔夬聯合彈劾蔡卞劣跡曰：“卞尊私史，以壓宗廟之惡，有過于惇，去年封事，數千人皆乞斬惇、卞，公議于此可見矣。”陳　還羅列蔡卞六條罪惡：因誣罔宣仁圣烈保佑之功，欲行追廢；凡紹圣以來竄逐臣僚，皆由卞啟齒之后施行；宮中厭勝事作，哲宗方疑未知所處，惇欲禮法通議，卞云：“既犯法矣，何用議為”。皇后以是得罪；編排元祐章牘，萋菲語言、被罪者數千人，議自卞出；鄒浩以言忤旨，卞激怒哲宗，致之遭遠謫，又請治其親故送別之罪；蹇序辰建看詳訴理之議，惇遲疑未應，卞即以二心之言迫之，惇默言不敢反對，即日置局，士大夫得罪者八百三十家，凡此皆由卞謀之，而惇行之。陳瓘等人要求圣上亟待正典刑，以謝天下。

蔡卞后被降為少府少監，分司南京，到池州居住，翌年又起知大名府，徙揚州，召為中太一宮使，后擢知樞密院事，負責邊防、軍備等機要事務。時蔡京居相位，他以親嫌辭，沒有評可。他贊成徽宗、蔡京收復湟州、鄯廓等地，因功進金紫光祿大夫。

蔡卞反對蔡京重用宦官童貫為陜西制置使。在其他政事上，他的主張也多與蔡京不同，因此受到蔡京的詆毀，他以天章閣學士出知河南，時張懷素敗下，卞素與之游之，因此一起降職，旋加觀文殿學士，拜昭慶軍節度使，入為侍讀，進檢校少保，開府儀同三司，累遷鎮東軍節度使。

徽宗政和七年（1117），蔡卞告假返鄉祭祖，逝于途中，享年70歲，贈太傅，謚文正。高宗即位，追責為寧國軍節度副使，紹興五年（1136）又貶單州團練副使。著有《毛詩名物解》，與蔡京編撰《宣和書譜》、《宣和畫譜》各20卷。