張寒登上皇位後，他經常去各縣挑選年幼的孩子在宮裏當太監。蔡倫也被選中，開始在洛陽宮接受訓練。那時他只有十五歲，但他學習非常努力，很快就能讀寫了。於是，第二年，蔡倫開始在宮中擔任黃門侍郎。
黃門侍郎是宦官中級別較低的職位，負責傳達宮內外公務，指導前來拜見皇帝的人如何上朝，安排座位。後來，竇皇後廢除了宋貴人兒子的太子身份，立養子劉釗為太子。蔡倫在這場法庭鬥爭中發揮了重要作用。漢高祖張死後，年僅十歲的成為漢高祖，竇太後成為竇太後。蔡倫也被提升為常侍，跟隨在年輕的皇帝身邊，參與國事。此時，蔡倫還兼任尚芳齡，主要負責宮中禦用器皿的制作，監督禦用手工作坊的工匠。因此，蔡倫與工匠接觸較多，勞動人民精湛的技術和創造精神對他影響很大。
當時沒有有利於書寫的紙張。文字要麽寫在竹簡上，要麽寫在由竹子、木頭或絲綢制成的木簡上，但竹簡和木簡太重了，無法攜帶。絲綢太貴了，不能大量生產。蔡倫決定研究造紙的方法。
由於職務上的便利，蔡倫具備了觀察和實踐的條件。他壹有空就親自到作坊進行技術考察，借鑒工匠們多年積累的豐富經驗，再結合自己的創新，總結西漢以來的造紙經驗，改進造紙工藝，帶領工匠們用樹皮、破布、麻頭、破漁網等原料造紙。經過反復實驗、研究和改進，他們制成了壹種廉價而簡單的造紙方法。
蔡倫先把所有的原料切開或切掉，然後用水浸泡，直到所有的原料都變軟，再搗成漿，然後蒸煮，最後在席子上攤成薄片，讓紙被陽光曬幹後，直接從席子上取下。蔡倫帶領工匠們改進了這種造紙方法，這是造紙技術的壹大進步。因為所用的原料來源廣泛，而且其中壹些可以回收利用，所以制成的紙價格低廉，可以大量生產。
用這種方法制成的紙又薄又輕，非常適合書寫，因此受到人們的歡迎。此後，全國各地都開始用這種方法造紙。紙逐漸取代了竹簡、木簡、帛，壹直沿用至今。
造紙術是中國“四大發明”之壹，是中華民族對世界文明做出的寶貴貢獻。紙的大量生產和未來印刷術的創造，使紙質書籍成為傳播文化的最有力工具，極大地促進了科學文化的傳播和交流，深刻地影響了世界歷史的進程。