1917年1月，著名教育和民主主义革命家蔡元培（1868～1940年，浙江绍兴人，号孑民）出任北京大学校长（早年他曾在京师大学堂译学馆做过译学馆教员，讲授国文及西洋史），他“循思想自由原则、取兼容并包之义”，对北大进行了整顿和革新，奠定了北大向近代大学转变的基础。北大开始思想解放和学术繁荣，从此日新月异。陈独秀（1879～1942年，安徽怀宁人）、李大钊(1888～1927年，河北乐亭人)、毛泽东（1893～1976年，湖南湘潭人）以及鲁迅（1881～1936年，原名周树人，浙江绍兴人）、胡适（1891～1963年，原籍安徽绩溪，生于上海）、李四光（1889～1971年，湖北黄冈人，蒙古族)等一批杰出人才都曾在北京大学任职或任教。此后10年，北大处于鼎盛期。
鲁迅是伟大的文学家、思想家和革命家，是中华文化革命的主将。他以笔为武器，战斗了一生，被誉为“民族魂”。代表作有小说《狂人日记》、《阿Q正传》、《孔乙己》、《祝福》、《药》，散文集《朝花夕拾》，散文诗集《野草》以及600余篇“像匕首，像投枪”，“嬉笑怒骂，皆成文章”的杂文。鲁迅曾经教过书的大学先后有：北京高师、女师（均为北师大前身）、北大、厦大、中山等。他在北大主要讲授《中国小说史略》等课程。晚年在上海从事专业创作。
胡适是中国现代最杰出的人文类大师级百科学者之一，新文化运动领袖之一，自由主义先驱。1917年留美回国，就深得蔡校长赏识和信任，并委以重任。头年是哲学研究所教授、主任，次年为英文部主任；1919年代理教务长，翌年转为正式教务长，兼任《新青年》杂志主编；1922年成立国学研究所，就任编辑部主任，主编《国学季刊》，并兼校务委员等职；先后任过哲学、外国文学、英国文学、教育、中文等5个系的主任，期间兼任辅仁大学教授及董事；1931年出任文学院长，兼任中央研究院院士；做了短时间中华民国驻美国大使后，于1946年回北大担当校长，直到1948年底止，前后在北大工作近30年。可见胡适在北京大学的作用和影响，在形成北大的自由主义传统上，远非一般人可比。
胡适早期受到梁启超、严复思想较大影响，赴美留学后则受赫胥黎、杜威影响，毕生宣扬自由主义，提倡怀疑主义，倡言“大胆假设，小心求证”、“言必有征”的治学方法，并提出“多研究些问题，少谈些主义”，“历史不是一个任人打扮的小姑娘”等观点。
1937年7月，胡适在庐山谈话上说，教育应该独立，其涵义有三：1，现任官吏不得作公私立大学校长、董事长，更不得滥用政治势力以国家公款津贴所长的学校。2，政治势力（党的势力）不得侵入教育。中小学校长的选择与中小学教员的任聘，皆不得受党的势力影响。3，中央应禁止无知疆吏用他的偏见干涉教育，如提倡小学读经之类。
从1920年起，刚自英国留学回来的李四光担任北京大学地质系主任、教授。李四光是著名科学家、地质学家、教育家和社会活动家，我国现代地球科学和地质工作奠基人，新中国地质事业主要领导人。
1927～1929年之间，北京大学处于动荡之中，并遭到严重摧残。奉系军阀攫取北京政权后，于1927年悍然宣布取消北大，与北平其他8所国立大学合并为京师大学校。1928年，南京国民政府先将其改为中华大学，复改为北平大学，复改为国立北平大学北大学院。1929年北京大学宣布自行复校，国民政府于8月6日将北大学院改为国立北京大学，蔡元培再次担任北大校长1年有余。
1930年底，曾3度代理北大校长的蒋梦麟（1886～1964年，浙江余姚人）开始执掌北大。当时北方时局虽然扰攘不定，学校经费虽然时发时欠，然而在学术上思想上和言论出版上还是比较自由的。蒋梦麟掌校期间，正是民族危亡内忧外患之时。而经过亡校风波的北大，却在教学与科研水平稳步上升，蒋梦麟这位中国现代杰出教育家功不可没。
1937年卢沟桥事变后，北京大学与清华大学、南开大学南迁长沙，共同组成长沙临时大学 。1938年初，临时大学迁往昆明，改称国立西南联合大学。西南联大汇聚3所名校菁华，以刚毅坚卓精神，维系中华教育命脉。抗战胜利后，北大返回故园，于1946年10月正式复学。
日本人控制华北期间，整合北平大学医学院、农学院以及北洋工学院留在北平的部分师资和学生，号称“恢复”北京大学，于1939年1月3日派汤尔和任总监督，主理校务，1月12日聘原图书馆领导周作人任图书馆馆长，3月28日聘周作人兼文学院筹备员。文学院成立后，周作人出任文学院院长。1940年汤尔和升任华北政务委员会教育总署督办，钱稻孙出任校长。1941年周作人升任华北政务委员会教育总署督办，校长钱稻孙兼文学院、农学院院长。1945年8月15日日本裕仁天皇宣布投降，结束本时期。
抗日战争结束后，南京国民政府教育部在1945年9月4日指定胡适出任国立北京大学校长，当时胡适还在美国办外交，便委由傅斯年代理。傅把汪精卫政权时代全部教职员开除，1946年7月才把校务交给胡适。胡适任职到1948年12月15日北平和平解放前夕，搭国民党政府专机逃往南京。1949年2月北平解放，文学院院长汤用彤（先后任中央研究院院士、中国科学院学部委员）出任北大校务委员会主席。
中华人民共和国成立后，人民政府接管了北京大学。1951年6月，著名学者马寅初被任命为新中国第一任北大校长。
学者谢泳认为：马寅初是新政权建立后首任北大校长，但他和政府之间已没有往日的平等地位，只有屈从，没有独立。中国大学校长身上的独立性到马寅初这里就绝迹了，他是中国国立大学校长中最后一位在政府和校长之间显示了自由精神的人。
全国高校于1952年进行院系调整，清华大学、燕京大学的文理科部分师资并入北京大学，北京大学工学院机、电、土、建4系合并到清华大学，化工系合并到天津大学，农学院、医学院、地质系、政法专业等脱离北京大学，或组建成新的高等院校，或并入其他相关院校。北大自北京城内迁入燕园。
此后，北京大学成为一所以文理基础教学和研究为主的综合性大学，为国家培养了大批人才。据不完全统计，迄今北大校友和教师有近600位两院院士，中国人文社科界有影响的人士相当多也出自北大，并且产生了一批重大研究成果。
改革开放以来，北京大学进入了一个前所未有的大发展、大建设的新时期，并成为国家“211工程”、“985工程”重点建设的两所大学之一。
2000年4月3日，北京大学与原北京医科大学合并，组建了新的北京大学。原北京医科大学的前身是国立北京医学专科学校，创建于1912年10月26日。20世纪三、四十年代，学校一度名为北平大学医学院，并于1946年7月并入北京大学。1952年在全国高校院系调整中，北京大学医学院脱离北京大学，独立为北京医学院，后改名北京医科大学，1985年成为国家首批“211工程”重点支持的医科大学。
近年来，北京大学大力推进教学改革，按照“加强基础，淡化专业，因材施教，分流培养”的方针，修订了教学计划，加强了基础教学，充实、更新了教学内容，注重培养学生的创新能力和创造精神。在教学管理上，实行学分制，提高选修课比例，鼓励学生跨专业选课、修读辅修专业或第二学士学位，提前修满学分的学生可以提前毕业，并推荐品学兼优的应届毕业生免试攻读硕士、博士学位。
[附文1]初进北大
上
以下是茅盾回忆自己初进北大学习的情形：
当时北大预科第一类新生约二百多人，分四个课堂上课。每个课堂约有座位四十至五十。至于宿舍（译学馆），楼上楼下各两大间，每间约有床位十来个。学生都用蚊帐和书架把自己所居围成一个小房间。楼的四角，是形成小房间的最好地位，我到时已被人抢先占去了。现在记得，一个是毛子水，浙江江山人，另一个是胡哲谋，浙江宁波人，后来上课时才知道他是我的同班生而且同年。胡哲谋有个叔父在大学本科教数学，他希望胡哲谋也像他自己那样，成为数学家。但胡哲谋喜欢文科，他的叔父为之不悦，有“让他试一年再说”的话，这是胡哲谋自己告诉我的。
在沙滩，另有新造的简便宿舍，二三十排平房，纸糊顶篷，两人一间，甚小，除了两人相对的床位、书桌、书架之外，中间只容一人可过。取暖是靠煤球小炉，要自己生火；而译学馆宿舍则是装烟筒的洋式煤炉，有斋夫（校役）生火。