蔡伦出生在一个铁匠世家，祖辈都是打铁的，但他小时爱学习，乡读时习《周礼》、读《论语》，更对冶炼、铸造，种麻、养蚕等有兴趣。蔡伦18岁时，由家乡附近的采冶铸铁官员推荐进入皇宫，开始了他一生的内廷生涯。
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公元75年，他被选入宫后，开始是在皇宫旁舍嫔妃所居的掖庭当差，几年后提升为出入皇宫、传递诏令的小黄门宦官。正宫窦皇后没有子嗣，为了确保地位的稳定性，指使蔡伦诬陷妃子宋贵人，令其自杀，其子刘庆(太子)被贬。随后，窦皇后又诬陷妃子梁贵人，强夺其子刘肇为养子并立为太子。
公元88年，汉章帝病逝，10岁的刘肇登基，为汉和帝，由窦太后听政。蔡伦升迁为出入朝廷、侍从天子的中常侍，豫参帷幄之中，成了传达诏令、掌理文书、参预朝政的高等宦官。
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公元97年，窦太后卒，和帝亲政，立邓绥为皇后，蔡伦立即投靠邓皇后。蔡伦被赐位尊九卿，执掌尚方令(尚方令就是负责监管皇室武器锻造的官职)。邓绥喜欢舞文弄墨，蔡伦为投其所好，改进造纸工艺。
公元105年，汉和帝卒，邓后所生百日婴儿即位，同年，蔡伦将发明的纸张献给汉和帝，不到二年汉和帝病逝。
公元106年，邓后再立13岁皇侄刘祜嗣位，为汉安帝，刘祜是先前被贬的清河王刘庆之子，蔡伦被邓太后封为龙亭侯，封地三百户。汉安帝即位初期仍由邓太后把持朝政，蔡伦继续受到重用。
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公元121年，邓太后卒，29岁的汉安帝亲政。蔡伦因为当初受窦后指使参与迫害安帝祖母宋贵人致死、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。
蔡伦一生在内廷为官，先后侍奉4个幼帝，投靠两个皇后，节节上升，身居列侯，位尊九卿，却以惨死告终。蔡伦政治上的毫无作为，但却给人类留下丰厚的遗产——造纸术。