蔡倫約61年(東漢永平四年)生，字敬仲，漢族，東漢桂陽郡人。漢章帝劉炟(56年—88年)即位後，常到各郡縣挑選幼童入宮。75年(永平十八年)蔡倫被選入洛陽宮內爲太監，當時他約15歲。他讀書識字，成績優異，於76年(建初元年)任小黃門。此後作黃門侍郎，掌管宮內外公事傳達及引導諸王朝見、安排就座等事。
正宮竇太后無子，指使蔡倫誣陷章帝妃宋貴人“挾邪媚道”，通令她自殺。宋貴人所生太子劉慶被貶爲清河王。竇後又指使人投“飛書”(匿名信)誣陷章帝妃樑貴人，強奪其子劉肇爲養子並立爲太子。章帝於88年卒，10歲的劉肇登基，爲和帝，由竇太后聽政。蔡倫因功被提拔爲中常侍，隨侍幼帝左右，參與國家機密大事，秩俸二千石，地位與九卿等同。中國歷史上宦官干預國政，也正由此開始。
97年(永平九年)，竇太后卒，和帝親政。102年(永元十四年)和帝立鄧綏爲皇后，蔡倫立即投靠鄧皇后。鄧綏喜歡舞文弄墨，蔡倫爲投其所好，甘心屈尊兼任尚方令，主管宮內御用器物和宮廷御用手工作坊。
尚方令本來是少府屬官，主管刀劍等各種宮廷御用器具的製造，與中常侍高位根本不相稱，但蔡倫盡力討好，凡是帝、後喜歡的器物，都在尚方精製。鄧後喜歡文史和紙墨，曾令各州郡歲貢紙墨，利用供職之便，常到鄉間作坊察看，見蠶婦繅絲漂絮後，竹簟上尚留下一層短毛絲絮，揭下似縑帛，可以用來書寫，從而得到啓發，便收集樹皮、廢麻、破布、舊魚網等原料，在宮廷作坊施以銼、煮、浸、搗、抄等法，試用植物纖維造紙，終於造出植物纖維紙。
在此期間，他總結西漢以來造紙經驗，改進造紙工藝，利用樹皮、碎布(麻布)、麻頭、魚網等原料精製出優質紙張，於105年(元興元年)他將造紙過程、方法寫成奏章，連同造出來的植物纖維紙，呈報漢和帝，和帝大加讚賞，蔡倫造紙術很快傳開。人們把這種紙稱爲“蔡侯紙”，全國“莫不從用焉”。
同年，和帝卒，鄧後所生百日嬰兒即位，不到二年又卒。鄧後再立13歲皇侄劉祜(94年—125年)嗣位，爲安帝。劉祜是清河王劉慶之子，但由於他即位初期仍由鄧太后把持朝政，蔡倫繼續受到重用，114年(元初元年)被封爲“龍亭侯”(封地在今陝西洋縣龍亭鋪鎮)，食邑三百戶，從此進入貴族行列。
約於118年—119年(元初五至六年)蔡倫又被提升爲長樂太僕，相當於大千秋，成爲鄧太后的首席近侍官，受到滿朝文武的奉承。正當他權位處於頂峯之際，121年(建光元年)鄧太后卒，安帝親政。蔡倫因爲當初受竇後指使參與迫害安帝皇祖母宋貴人致死、剝奪皇父劉慶的皇位繼承權而被審訊查辦。蔡倫自知死罪難免，於是自盡而亡。
蔡倫的發明創新不止造紙，他主管尚方期間“監作祕劍及諸器械，莫不精工堅密，爲後世法”，“有蔡太僕之弩，及龍亭九年之劍，至今擅名天下。”對發展當時的金屬冶煉、鑄造、鍛造及機械製造工藝起到了不小的推動作用。如當時的鋼刀製造以炒鐵爲料，經多次鍛打而百鍊成鋼。當時所製造的器物在質量、性能及外觀上確實是精工製造，堪爲後世仿效。
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