乾道七年辛卯（1171年），蔡元定與朱熹書信往復，討論教養兒輩、治學感悟、《資治通鑒綱目》寫作及樂理等問題。

協助朱熹在寒泉塢建寒泉精舍，接納來學士子。寒泉精舍，是朱熹生平創建的第一所學校，朱熹葬母祝夫人于天湖之陽，遂筑室其旁，匾曰寒泉精舍。精舍，為書齋、學舍，是聚生徒講學之所。蔡元定參與了寒泉精舍的建設，從選址到營建，都出了不少力，更重要的是蔡元定成為朱熹在寒泉精舍著述的最得力的助手和親密的道友，《朱子大傳》的作者束景南說：“在寒泉精舍，朱熹的一系列重要著作就在蔡元定的相聚講學討論中誕生了，蔡元定常常是朱熹著作的修改者、校訂者和撰寫者。”

蔡元定的學生翁易在《蔡氏諸儒行實》云：“季通生平著述多謙讓，寄寓于熹書集中，此見其有功于晦庵甚大。”意思是說，蔡元定生平的許多著述，都毫無保留地融會在朱熹的學術思想中，朱熹取得的成就，蔡元定的功勞最大。

乾道八年壬辰（1172年），四月，蔡元定與李伯諫、詹體仁等協助朱熹起草《資治通鑒綱目》，這次重修朱熹分寫晉、唐，李伯諫分寫東漢末至三國以后，詹體仁分寫宋以后南北史，其余從東漢末之前由蔡元定分寫。

十月，協助朱熹撰成《西銘解義》。北宋張載的《西銘》原名《訂頑》，后來，程頤將《訂頑》改稱為《西銘》。核心思想是：以乾坤，天地，和父母（含男女，夫婦及家庭）為一體，以乾坤確立起感通之德能，闡明此德能如何從個體之身位向家庭或家政展開，并推達到天下。蔡元定幼時，父親就教授他《西銘》。清代的王懋竑在《朱子年譜考異》中提到“先生至是發明其義。語錄向到云谷，自下上山，半途大雨，通身皆濕。得到地頭，因思著天地之塞吾其體，天地之帥吾其性。時季通及某人同在那里，某因各人解此兩句，自亦做兩句解，后來看也自說得著，所以迤邐便作西銘等解。”《西銘》原文有這樣兩句“故天地之塞，吾其體；天地之帥，吾其性。”意思是：這樣看來，充塞于天地之間的，就是我的形色之體；而引領統帥天地萬物以成其變化的，就是我的天然本性。一日，朱熹等人到云谷山，上山過程中，半途遇到大雨，全身濕透，等到了處所，朱熹有感而發，想到了《西銘》當中的這兩句，于是就問蔡元定等人對這兩句的理解，自己也談了看法，后來覺得自己說得還是有道理的，于是就創作了《西銘解義》。

乾道九年癸巳（1173年），協助朱熹撰寫初稿《太極圖說解》，完成《伊洛淵源錄》。

淳熙二年乙未（1175年），已過不惑之年的蔡元定，不僅僅將自己的思想付諸于朱熹的的著作中。作為一名博覽群書的學者，他也獨立創作，這年，在麻沙著成《陰符經注解》，并自己作《陰符經序》。也是這一年，蔡元定已堅定地把隱居西山作為自己的終老之計，潭陽七賢之一的劉爚為蔡元定寫《西山先生蔡公墓志銘》說：“淳熙乙未筑室西山，將老焉。文公貽書有歸風引領，似已聞采薇歌之語。”為什么蔡元定筑室西山，朱熹好似聽到“采薇歌”，在《史記·伯夷列傳》中記載，伯夷、叔齊共同創作了《采薇歌》，歌詞第一句是“登彼西山兮，采其薇矣。”歌詞中的“西山”，指首陽山，在山西省永濟縣南，是伯夷、叔齊隱居并最后殉身的地方。朱熹認為蔡元定有引領歸隱之風。

這年的四至五月，蔡元定協助朱熹在寒泉精舍接待浙東名儒呂祖謙，史稱“寒泉之會”。他們共同研讀周敦頤、二程和張載的著作二十七種，深感這些著作博大精深，難以為初學者所掌握，于是采擷其中切合日常用的六百二十二條，編成《近思錄》，作為理學的入門書，蔡元定責無旁貸地協助編輯。五月二十一日，同呂祖謙、朱熹游覽武夷名勝，一同至六曲響聲巖下，由朱熹題寫游記，并各具名以紀念，時至今日，這一題刻仍清晰地印刻在響聲巖上。

游覽完武夷山的碧水丹山后，五月底，蔡元定陪同朱熹前往江西信州鉛山縣鵝湖寺參加著名的哲學家聚會——鵝湖之會。因此次聚會，蔡元定聲名鵲起。會議由婺學的代表人物呂祖謙出面邀集，意欲調和朱熹和陸九淵兩派的爭執。此次會議的議題是：如何引導學者讀書做學問？是格物致知、讀書窮理，還是簡易工夫、發明本心？由于雙方激烈爭論，最終不歡而散。

時隔七十五年后，淳佑十年（1250年），蔡元定之孫江東提刑蔡杭游覽鵝湖寺后，上書朝廷，理宗皇帝賜名文宗書院。明朝改名鵝湖書院。

在寒泉精舍期間（1170—1175年），是朱熹重要的寒泉著述期，此間，朱熹先后完成《太極圖說解》初稿、《西銘解義》、《資治通鑒綱目》等11部著作，蔡元定功不可沒，可謂“紫陽羽翼”。（蔡春壽）