民国元年（1912）5月，京师大学堂更名为国立北京大学，是中国历史上第一所冠名“国立”的大学，严复出任校长。民国六年（1917），著名教育和民主主义革命家蔡元培出任北京大学校长，他“循思想自由原则、取兼容并包义”，使得北京大学思想解放，学术繁荣，北大从此日新月异。陈独秀、李大钊、朱家骅、胡适等一批重要的历史人物都曾在此时期在北京大学任职或任教，鲁迅也在此兼讲师。北大因而成为开风气之先的“新文化运动”中心和多种社会思潮的策源地。北京大学是中国共产主义思想的重要发源地和中国共产党早期活动的重要基地。北京大学教授“南陈北李”相约分别在南方和北方筹建中国共产党，陈独秀当选为第一届中共中央总书记，曾任北京大学图书馆管理员的毛泽东自1935年至1976年去世长期作为中共实际的领袖人物。
民国八年（1919）5月4日，“五四运动”爆发。北京大学等北京多所学校的学生在天安门前集会，罗家伦、江绍原、张廷济为学生运动三个代表，罗家伦起草了《北京学界全体宣言》，随后举行示威游行。军警当场逮捕学生。蔡元培、李大钊、陈独秀、朱家骅、胡适、鲁迅当时为了营救学生，不惜发动全国工商界罢工罢市。北京学生的爱国运动，得到了各地青年学生和人民群众的同情和支持，学生爱国运动的烈火迅速燃遍全国，发展成为全国性的反帝爱国运动。
1927－1929年间，北大处于动荡之中，并遭到严重摧残。奉系军阀攫取北京政权后，于1927年悍然宣布取消北大，与北平其他八所国立大学合并为京师大学校。1928年南京国民政府先将其改为中华大学，复改为北平大学，复改为国立北平大学北大学院。1929年北大宣布自行复校，国民政府于8月6日将北大学院改为国立北京大学。