蔡为人博学多才而又精通音律，早期嫁给河东卫仲道，卫仲道早亡，二人又没有子嗣，于是蔡琰回到自己家里。
兴平二年（195年），中原先后有董卓、李傕等作乱关中，匈奴趁机劫掠，蔡琰被匈奴左贤王掳走。蔡琰在北方生活了有十二年之久，并生下两个儿子。
建安十一年（207年），曹操向来喜爱文学、书法，常与蔡琰的父亲蔡邕有文学、书法上的交流。曹操见蔡邕没有子嗣，用金璧从匈奴那里将蔡琰赎回来，并将蔡琰嫁给董祀。
而后董祀犯了死罪，蔡琰去找曹操给董祀求情。当时曹操正在宴请公卿名士，对满堂宾客说：“蔡邕的女儿在外面，今天让大家见一见。”蔡琰披散着头发光着脚，叩头请罪，说话条理清晰，情感酸楚哀痛，满堂宾客都为之动容。但曹操却说：“可是降罪的文书已经发出去了，怎么办？”蔡琰说：“你马厩里的好马成千上万，勇猛的士卒不可胜数，还吝惜一匹快马来拯救一条垂死的生命吗？”曹操终于被蔡文姬感动，赦免了董祀。
蔡琰回家后伤感悲愤之余作《悲愤诗》二首。此后再无蔡琰相关记载，卒年不详。