东汉时期有一年，蔡伦家乡发生了蝗灾，作物都被蝗虫吃掉了，农民颗粒无收。因此被饿死了很多人，蔡伦一家也不能幸免。蔡伦心孝，把自己卖到了皇宫，然后就开始了宦官的生活。蔡伦进宫后，非常思念家乡，无依无靠加上身体痛苦的他常常独自躲在墙角里哭泣。有一回，老宦官看到他在那里哭，过去劝导他。然后蔡伦止住了哭声，跟老宦官说起自己的遭遇，他也很是同情。谈话间老宦官发现蔡伦谦虚好学，于是一有空就开始教他读书写字。
每次老宦官抱着书都气喘吁吁，因为是竹简做的书本，一捆一捆的很重。蔡伦看见便问老宦官：“为什么不在轻便的东西上写字呢?”“有精美的帛都是达官显贵用的，可是帛太贵了，咱们哪里用得起啊。”于是蔡伦暗下决心，一定要发明出轻便又便宜的东西用来写字。因为身份卑微，这个想法蔡伦只得藏在心里。他很用功，对宫里的规矩熟悉后，偶然的一次机会，他得到了皇帝的赏识。他被任命为中常侍，还兼任尚方令，负责皇宫里使用的器物。
会经常出宫，监督御用之物的制造或采办杂物，于是也就借着这个机会四处学习。有一次，蔡伦在宫外监制一批彩帛。他有心得留意观察周围的事物，路过田野和河边的时候，他发现有几个妇女在洗蚕丝，于是驻足观看。起初，他想从彩帛生产的质量上下手。然后蔡伦又发现这些上等的蚕丝拿走后，会在席上留下一层薄薄的残留物。他突然萌发了在上面写字的念头。他手下的人说这东西叫“赫”，只能晾干后糊一糊窗户。
蔡伦听后没有说什么，就带人去了作坊。然后，蔡伦开始研究这个“赫”，尝试在这上面写字，但墨汁浸湿了一大片，字迹也很模糊，但是依稀还能够辨认。于是他又开始思考，研究开辟更广泛的造纸材料来源。他查阅资料后发现，早在西汉时期就已经有人用植物纤维造纸了，只是这种纸很粗糙。蔡伦也注意到百姓的衣服都是用麻料做的，这种材料可比“赫”广泛多了。
经过了解，蔡伦发现人们在沤麻的过程中，把麻线从篾席上拿起的时候，也会留下一层薄膜。他于是就认为用麻纤维造纸应该可行，紧着这蔡伦把自己的想法奏报给皇帝，获得了首肯。于是蔡伦和许多工匠一起，开始了探索造纸之路。探索过程中，他们发现许多材料类似树皮、破布、废渔网等，都可以作为造纸的原料。过了几个月，他们终于拟定了一个造纸的程序：先分离、然后锤捣、再交织、最后晾干。
蔡伦不断进步，总结经验，改进方法，生产出来的纸的质量也越来越高，原料来源也很广。生产工艺也日益先进，同时造纸业得到了飞速发展。105年，蔡伦把造纸的成果奏报给皇帝，皇帝对蔡伦大为赞赏，于是封他为龙亭侯。
