1899年冬，蓝天蔚以优异成绩被湖广总督张之洞选送赴日本留学，入日本陆军士官学校工兵科，为中国第二期留日士官生。蓝天蔚在校期间，结识了吴禄贞、张绍曾，三人学习成绩突出，志趣不凡，被人们称为“士官三杰”。

蓝天蔚在日本留学期间，受孙中山民主革命思想影响，开始走上革命道路。1902年底，蓝天蔚与刘成禹、李书城等鄂籍留日先进青年10余人在东京组织了同乡会，并创办了留学生界第一个以省名命名的刊物——《湖北学生界》，以“输入东西学说，唤起国民精神”。

在日期间，蓝天蔚积极投身于这场轰轰烈烈的爱国运动之中。他与黄兴等发起组织“拒俄义勇队”。5月2日，改名为学生军，推举蓝天蔚为队长。

蓝天蔚等人的爱国行动，遭到清廷忌恨。1903年5月下旬，清廷命时任湖北巡抚兼署湖广总督端方将蓝天蔚召回国内，准备对他严加惩处。同学们对蓝天蔚回国的安全十分担心，纷纷劝他不要回国。蓝天蔚笑着说:“救国者，国人之责，吾一身安足惜。”蓝天蔚回到武汉，面对清政府统治者的严厉责问毫无惧色，他痛言国事日非，外患日逼，国人愤发为雄，不可遏制。清政府一方面看到蓝天蔚是个难得的人才，另一方面慑于蓝天蔚的声望，怕引出更大的麻烦，遂不敢加害于他。

1904年6月，蓝天蔚应京师练兵处之召赴京任职。张之洞非常欣赏蓝天蔚过人的才华，力劝蓝天蔚留在湖北，辅佐自己。

蓝天蔚被张之洞的一片诚心打动了，他留了下来，被张之洞授为湖北新军训练营务处（后改湖北督练公所）教练兼湖北将弁学堂和武高、武师等学堂军事教习。1904年冬，任湖北新军暂编第一镇正参谋官。1906年冬，任湖北新军第三十二标统带兼湖北督练公所参谋。

蓝天蔚在家乡带兵治军，努力培养鄂军人才，显示出其卓越的军事才能。他爱兵如子，治军有方、成为湖北新军中深受士兵爱戴的将领。军中的日本教官也佩服不已，说:“蓝天蔚学识优长，深得人心，有辅佐才能，无骄傲恶习，这种优秀少壮军官，就是在日本军队中，也实不可多得。”1906年秋，清政府在河南彰德举行秋操，袁世凯和张之洞各率所部新军举行南北新军的大演习。蓝天蔚担任南军总参谋官。会操3日，南军均占优势。

除了军事知识，蓝天蔚还在学员中宣扬爱国、救国思想。每逢星期日下午，所有参加的学员均须听蓝天蔚的演讲。蓝天蔚在演讲中除讲授军事科学知识外，经常结合时势，鼓动革命，听者无不感动。蓝天蔚和许多革命党人长期在湖北新军中做了大量的革命动员工作，使革命思想在湖北新军中深入人心，为武昌起义的爆发准备了必要的条件。慈禧曾不无担忧地说:“造就人才的是湖北，我所虑的也在湖北。”

由于蓝天蔚出众的才华和组织才能，武昌起义爆发后，500多名革命党人先后三次电请蓝天蔚来鄂充任都督，由于清廷扣留，电报无法传送，且当时蓝天蔚已在离奉赴沪途中、电报无法追送，才只得作罢。

1907年，东三省官制改革，设立奉天、吉林、黑龙江行省。盛京将军改称东三省总督，建署于奉天。1908年1月，东三省总督徐世昌设东三省督练处，专司训练新军、整顿巡防事宜。调驻东三省的北洋新军原本属于袁世凯的势力，但因为历任总督非常重用从日本士官学校毕业归国的学生，吴禄贞、蓝天蔚和张绍曾等人得以在东三省北洋新军内崭露头角。

1910年，蓝天蔚被任命为新军第二混成协统领，驻扎于奉天北大营。在东北，蓝天蔚继续做革命的宣传、发动工作。蓝天蔚在做好发动新军工作的同时，还广泛联络东北各地的农民武装。当时革命党人主张在北方或首都发动革命，这时候，吴禄贞已调任新军第六镇统制，驻扎在保定、石家庄一带;张绍曾调任新军第二十镇统制，驻扎在奉天、直隶东部沿海一带。蓝天蔚与吴禄贞、张绍曾领导的三支新军有3万余众，就像一把利刃安插在清王朝的心脏地区。

1911年，清王朝准备举行演习。蓝天蔚与吴禄贞、张绍曾三人约定，乘此机会，举兵起义。

正当北方的新军准备暗中筹备之际，1911年10月10日，辛亥革命在武昌爆发。在这种形势之下，吴、张、蓝秘密筹划，以滦州张部为第一军，奉天蓝部为第二军，保定吴部为第三军。一军奔丰台，三军赴长辛店，二军出山海关策应，三路直逼京津，一举推翻清王朝。但是，他们的计划被告密了，11月7日，吴禄贞不幸被暗杀于石家庄，起义未能照计划进行。

蓝天蔚没有怯步不前，为了推翻清王朝在东北地区的反动统治，夺取全国革命的胜利，蓝天蔚在东北三省继续开展斗争。

11月26日，东北各地的革命组织、革命团体发动起义，正式推举蓝天蔚为中华民国军政府临时关东大都督。蓝天蔚发布起义檄文， 宣告:“武昌起义之后，全国响应，本都督奉军政府命，筹谋恢复关东一带，已经一月有余。一切布置，均臻完备。义师到处，行动文明.联合同胞，恢复关东三省，共图推倒清政府，辅助军政府，建立共和民国。”号令一下，革命的烈火迅速燃遍东北三省。

1911年底，蓝天蔚由大连来到了上海。当时有些人被胜利冲昏了头脑，产生了“革命已经成功”的错觉;有些人则追求个人的官职与利禄，争权夺利。

蓝天蔚看在眼里，急在心中，他声泪俱下地说:“目前汉阳已被清军攻破，清廷正在进行最后挣扎，敌众我寡，大家齐心协力尤恐难于取得最后胜利，现在竟内讧起来，重蹈太平天国的覆辙，这怎么能行呢?”说罢举枪自击，击伤了左腕。蓝天蔚的言行使部分革命党人深受感动，重新树立了革命斗志，而蓝天蔚的名望也更加高涨。

1912年1月1日，中华民国临时政府成立。1月3日，孙中山正式任命蓝天蔚为关外大都督、北伐军总司令。

蓝天蔚指挥北伐军首先攻克烟台，兵临京津城外，把革命的烽火烧到了清王朝的大门前。

蓝天蔚在烟台设立了北伐军根据地，并立即命令部队昼夜兼程，分兵袭取了山东境内的登州、黄县，打通北洋门户。他在烟台庄严宣布:北伐军不日将开赴东三省攻略各地，东北将“克日光复”。

2月1日夜至2日晨，蓝天蔚指挥北伐军主力分别在辽东半岛的貔子窝、花园口、大孤山、安东等处同时强行登陆。在当地民军的密切配合下，北伐军与清军展开了激烈的战斗，清军连遭重创，节节败退。蓝天蔚率领北伐军浴血奋战长城内外，连战连捷。

辛亥革命胜利不久，袁世凯窃取政权。临时政府任命蓝天蔚为海军总长，蓝天蔚悲愤不已，向临时政府寄上辞职书，隐居乡野。此后，蓝天蔚因建立民国有功，被授予陆军中将加上将衔，并由国家资助出国游历。1917年7月，孙中山在广州掀起了轰轰烈烈的“护法运动”。蓝天蔚又看到了希望，他坚决拥护和支持孙中山，积极投身到这场为维护民主共和政权而战的革命运动中去。他按照孙中山的布置前往福建、浙江、陕西、河北、辽宁等地，积极与各地志士共商护法大计，协助南方护法军政府。蓝天蔚声明反对北洋政府的“统一令”，与北洋军阀展开了坚决的斗争。

护法运动失败后，蓝天蔚于1919年抵达鄂西。鄂西靖国军的将士们纷纷请求蓝天蔚留下来领导鄂西的斗争。蓝天蔚针对当时北洋军阀王占元统治湖北，残酷压迫人民，到处征收苛捐杂税，民不聊生的情形，提出首先要打倒军阀王占元。鄂西靖国军在蓝天蔚的率领下，向北洋军阀王占元发起猛烈进攻，所向披靡。

1921年1月，蓝天蔚率鄂西联军向盘踞在长江上游的军阀孙传芳部发起总攻击。鄂西联军兵力单薄，在敌军的前后夹击下终遭失败，蓝天蔚率领部队约万余人往四川方面撤退。途中，不幸遭到川军伏击。3月31日，蓝天蔚在重庆遇难，时年44岁。

蓝天蔚遇难的消息传开，三军同悲。黎元洪再次出任总统后，北京政府以蓝天蔚护法捐躯，恢复原有官职，追赠陆军上将衔。1923年6月10日，北京政府在京师湖广会馆为蓝天蔚举行了隆重的追悼大会。

1928年，蓝天蔚的遗体归葬武汉，公葬于武昌卓刀泉伏虎山麓。

据沈阳人秦诚至回忆，蓝天蔚任新军第二混成协协统，驻在沈阳大北边门外的北大营时，当时他家住在北大营迤西约二里的瓦子窑村（现属沈阳市皇姑区）。大约是宣统二年十月，蓝天蔚前往来秦诚至就读的小学参观，第二天又请这一带小学教员吃饭，和这些人拜把子，当时秦诚至还不理解，后来才知道蓝天蔚是为了革命结交士林。

蓝天蔚治军桑梓，努力培养鄂军人才，显示出其卓越的军事才能。“门下且数千人矣”“其居军也，日与士卒讲习无倦容;暇则慰问病苦如家人父子”“教导则循循善诱，英才多所养成;训练则在从严，士卒偏皆诚服”。蓝天蔚成为湖北新军中深受士兵爱戴的将领，被尊为明师，赠匾献旗，名传湖北全军。日本教官小岛对人说:“蓝天蔚学识优长，深得人心，有辅佐才能，无骄傲恶习，这种优秀少壮军官，就是在日本军队中，也实不可多得。”

蓝天蔚存世遗墨极少，有《夜归北大营》四条屏，曾由云南收藏家倪国强先生悉心收藏，今藏蓝氏后裔处。