蔡爲人博學多才而又精通音律，早期嫁給河東衛仲道，衛仲道早亡，二人又沒有子嗣，於是蔡琰回到自己家裏。
興平二年（195年），中原先後有董卓、李傕等作亂關中，匈奴趁機劫掠，蔡琰被匈奴左賢王擄走。蔡琰在北方生活了有十二年之久，並生下兩個兒子。
建安十一年（207年），曹操向來喜愛文學、書法，常與蔡琰的父親蔡邕有文學、書法上的交流。曹操見蔡邕沒有子嗣，用金璧從匈奴那裏將蔡琰贖回來，並將蔡琰嫁給董祀。
而後董祀犯了死罪，蔡琰去找曹操給董祀求情。當時曹操正在宴請公卿名士，對滿堂賓客說：“蔡邕的女兒在外面，今天讓大家見一見。”蔡琰披散着頭髮光着腳，叩頭請罪，說話條理清晰，情感酸楚哀痛，滿堂賓客都爲之動容。但曹操卻說：“可是降罪的文書已經發出去了，怎麼辦？”蔡琰說：“你馬廄裏的好馬成千上萬，勇猛的士卒不可勝數，還吝惜一匹快馬來拯救一條垂死的生命嗎？”曹操終於被蔡文姬感動，赦免了董祀。
蔡琰回家後傷感悲憤之餘作《悲憤詩》二首。此後再無蔡琰相關記載，卒年不詳。
丈夫爭議
關於蔡琰在北方是否嫁於左賢王歷來有不一樣的看法：據《後漢書》記載，蔡琰是“沒於”左賢王，而不是“嫁於”左賢王，而且一般匈奴王的妻子都被稱爲“閼氏”，但是蔡琰在北方二十年，沒有這個稱號，所以認爲蔡琰與左賢王並不是夫妻關係；但另一種說法認爲，曹操贖回蔡琰花費了非常大的價錢，遠遠超過了普通奴隸的價格，可以看出蔡琰在匈奴那邊的地位也不低。一些文藝作品像京劇等就將蔡文姬寫成左賢王的王妃。兩種說法孰是孰非，仍存在爭議。
作品爭議
郭沫若在爲曹操翻案的同時發表論文質疑蔡琰的作品是不是出自蔡琰之手。郭沫若等人認爲《後漢書》所著錄的《悲憤詩》不是出自蔡琰之手，主要理由有三點：1．據《後漢書·董祀妻傳》，文姬是“爲胡騎所獲，沒於南匈奴左賢王”的，詩中不應說是爲董卓部衆所驅虜。2．文姬之父蔡邕受董卓重視，在董卓控制的中央政權裏爵位很高，董卓死後他才被王允所殺，文姬的流落必定在蔡邕死後，而詩中說爲董卓所驅虜入胡。3．騷體一章中有“歷險阻兮之羌蠻”一句，與文姬爲南匈奴所掠獲事實不合。又有“沙漠壅兮塵冥冥，有草木兮春不榮”二句，與當時南匈奴所處地域河東平陽一帶地理環境不合。
但譚其驤認爲這三項中，沒有一項是站得住的。因爲：1．董卓的部衆中正多的是羌人和胡人，《悲憤》中說“卓衆來東下”，“來兵皆胡羌”，這些胡兵不正是“胡騎”？2．南匈奴自中平五年（188年）以來已分裂爲二部分，一部分內徙河東，另一部分仍在今內蒙古河套一帶，如果“南匈奴”是指留居在那裏的一部分，地理環境與所描敘的就正相符合。3．董卓的部衆紀律很差，當時蔡文姬在關東原籍被擄，蔡邕遠在長安，而她被擄後三個月蔡邕即被殺，無從獲得消息，更談不上營救。董卓部隊中的羌胡都是關中人，蔡文姬被擄後被西驅入關，入關後到過羌蠻之地，也就毫不足怪。所以可以肯定《悲憤》二章確是蔡文姬的作品。
生年爭議
蔡琰的生年一說是174年，一說是177年，但都是猜測，沒有史料依據。
紀念墓冢
陝西省藍田縣三裏鎮鄉蔡王莊村西北約100米處，有一處名叫蔡文姬墓的墓冢，墓冢高約8米，林木蔥鬱，屬陝西省重點文物保護單位。20世紀90年代，藍田縣又在此建文姬展覽館一座，將文姬軼事及境內出土文物陳列展出，用四體書法鐫刻《胡笳十八拍》於18塊青色大理石上，墓前有蔡文姬雕像。在史書中，至今未曾發現關於蔡琰歸宿的記載。此墓很可能是後人根據《三國演義》第七十一回的情節建造的假冢。小說的這一回顯然是羅貫中託蔡琰、曹操之名虛構的，其中把蔡琰兩個丈夫的名字改爲“衛道玠”和“董紀”。對此不能信以爲真。
紀念館
蔡文姬紀念館，是依蔡文姬的墓冢而建立的。1957年8月被省政府列爲省級重點文物保護單位。館內有《蔡文姬生平展》詳細介紹了蔡文姬的生平事蹟和東漢末年社會的風土人情。還有《藍田文物精品展》及現代著名書法家書丹的《胡笳十八拍》石刻。
蔡文姬紀念館收藏了有關蔡文姬文物130多件，其中擁有國家三級以上珍貴文物50件。
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