1931年12月，梅贻琦正式到校视事。在全校集会上发表的就职演说中，他提出了其办学的至理名言：一所大学办得好不好，主要看有没有好教授。“所谓大学者，非谓有大楼之谓也，有大师之谓也”更成为广为流传的名句。不过，对梅贻琦的“大师论”，不能停留在表面上，有必要把握它的完整含义。他认为好教授不是肯花钱就能请到的，好教授也不只是学问优长的学者。他说：“我们的智识，固有赖于教授的指导指点，就是我们的精神修养，亦全赖有教授的Inspiration。但是这样的好教授，绝不是一朝一夕所可罗致的。我们只有随时随地留意延揽而已。同时对于在校的教授，我们应该尊敬，这也是招致的一法。”
他还说，凡一校精神所在，不仅仅在建筑设备方面之增加，而实在教授之得人。“本校得有请好教授之机会，故能多聘好教授来校。这是我们非常可幸的事。从前我曾改易《四书》中两语：‘所谓大学者，非谓有大楼之谓也，有大师之谓也。’现在吾还是这样想，因为吾认为教授责任不尽在指导学生如何读书，如何研究学问。凡能领学生做学问的教授，必能指导学生如何做人，因为求学与做人是两相关联的。凡能真诚努力做学问的，他们做人亦必不取巧，不偷懒，不作伪，故其学问事业终有成就。”
梅贻琦理想中的教授，是德才均备的；梅贻琦理解的教育，并不是单纯的知识灌输，而是包含知识、情感、意志等因素全面发展的全人格教育。
梅贻琦上任后，将延揽一流师资看作为“努力奔赴第一事”。一方面他充分尊重原教授队伍并充分发挥其作用，另一方面又多方礼聘。20世纪30年代，清华园内名师荟萃，极一时之盛。
清华的文、理两学院历史悠久，基础很好，而工学院则是后起之秀，这与梅贻琦的大力建设紧密相关。梅贻琦在原有土木工程系的基础上添设机械、电机两系，组成清华工学院，自兼院长。后由顾毓琇任院长。从1934年起，清华与资源委员会合作开设航空讲座，进行航空实验，建立亚洲最大的航空实验风洞等，这是清华航空系的前身，又是旧中国航空的开端。这一时期，为清华以后的工科发展打下了坚实的基础。到1936年时，清华工学院的学生已占全校总人数的三分之一还多。
那时候的风气是工科至上。政府一再明令发展理工，抑制文法，学生们为了出路好，也乐于往工学院挤。梅贻琦虽然花了很大力气建设清华的工学院，但他并不轻视文法。1933年，他在秋季开学典礼上说：“理工为实用学科，固宜重视，但同时文法课程，亦不宜过于偏废。就本校说，最初办理较有成绩的理科之外，文法数科亦并不弱。现在本校工院初创，理工方面固应亟谋发展，但于文法各系也要使它有适当的进展。这一点外人不免忽视。”同年秋，清华开始实行文法学院大一不分院系，工学院大一分院不分系的措施。这种制度旨在加强学生的基础，拓宽学生的视野，避免过早进入专门研究的弊端。学生在这种制度下可以较多地照顾到个人兴趣，转系也不难。这是对清华通才教育传统的一个重大发展。事实证明是合情合理的。清华以后名家辈出，与这种“底子厚，后劲大”的制度息息相关。
这一时期，清华还开创了与国外进行学术交流的先河。1933年，清华首先与德国约定互派研究生，建立了设置科学讲座等制度，先后约请哈达玛、维纳、华敦德等国外第一流学者来校作长期或短期讲学。
总之，从1931年到任至抗日战争爆发起，在不到6年的时间里，而且是在华北局势动荡不安的情况下，梅贻琦在校政、教学、学术研究、学风、人才等诸多方面擘画精详，成绩卓著，开创了清华历史上的第一个黄金时代。
主持西南联大的日子
1937年“七七”事变时，梅贻琦正在庐山参加蒋介石召开的“谈话会”。8月中，南京教育部决定成立长沙临时大学，由北方三所名牌大学清华、北大、南开联合组成。经过短期筹备，临时大学于10月26日举行开学典礼，11月1日正式开课。1938年，学校再迁昆明，合组国立西南联合大学。临大和联大由三所大学校长张伯苓、蒋梦麟、梅贻琦和秘书主任杨振声组成的常委会管理。
在三校长中，张伯苓年龄最大，资格最老。在长沙临大期间，他曾去长沙参加组建工作，但不久他就去重庆，在当时政府中另有职务，终联大之期基本上不去昆明。蒋梦麟参加了临大和联大的初期工作。虽然在联大成立后的初期他仍在昆明，在后期，也不时来往于昆明、重庆两地，但即在昆明时，他也避免过问校事。张、蒋二校长似乎有一种默契，让三人中年龄最轻，为人谦冲、诚笃、公正的梅校长统管全部学校行政工作。所以梅贻琦实际上既是清华校长，又是联大校长。而梅贻琦确实不负众望地把三校的兼容并包、坚韧自强、严格朴素的学风融为一体，创造了中国战时教育的奇迹。
他把清华的“教授治校”制度带到联大，实行民主决策。他对国民党政府的某些党化教育措施有些敷衍，有些变通执行。与其他学校相比，联大始终保持为一所民主自由空气较浓的学府。特别是后期，联大成为“民主堡垒”，也与梅贻琦的开明态度有关。1946年6月7日，梅贻琦在重庆应教育部部长朱家骅饭约，在吃饭时，他向朱部长提问：大学可否不设训导长？青年团可否不在校内设分团？朱只表示设分团的事情须与团部商量。梅贻琦能够提出这两个问题，显然说明他对党团势力进入大学是不欢迎的。
抗战时期是梅贻琦一生经历中最艰难的一段时期，也是对他工作能力的考验。那时数千师生员工背井离乡来到大后方，如何解决这么多人的食住，兴建起必需的校舍，都是很艰巨的任务。在当时，即使是最简单的生活、最粗陋的茅舍都是求之不易的。
从1938年到1942年，日军的空袭极大地扰乱了人们的正常生活，跑警报占去了大量的时间，不少教师迁住乡下，交通不便。日军轰炸也造成了联大校舍的损毁。1940年8月14日的轰炸对联大校舍造成很大的破坏。当时，梅贻琦正在重庆接洽校务，8月23日他才回到昆明。8月27日下午召开联大常委会，他看到新校舍被炸后没有计议修复事宜，有人在会上提议延期开学，他心中大不为然，决议赶快筹备，设法如期开学。具体的议决事项有三条：“一、本大学各部分此次被炸毁之校舍，无论租用或原属本校者，倘不需购置大宗材料，或有现成材料，经加工修葺后即可应用者，应即尽速修理。二、本大学应即由总务处会同校舍委员会主席黄钰生先生尽速于昆明市区内或市区附近觅定房舍备作校舍之用。三、本大学倘能于最短期中在昆明市区内或附近觅定校舍，足够应用，本学年本校各院系应仍在昆明市区内或附近上课。”梅贻琦显然在决定过程中起了重要作用。
经校方人员的多方努力，仅仅一个月多一点时间，劫后创伤已全部修理完竣，屋宇焕然一新，学校当局原定的开学日期得以如期举行。9月29日、30日两日二、三、四年级注册，远在叙永分校的一年级同学也早已首途，到9月30日前已到了十之八九。10月6日在开学典礼上，梅贻琦做了一个简短精警的报告，他说，8月14日本校遭到轰炸，校舍损毁甚巨，同学间各自推测，以为决不能如期开学，最早当在12月初，留昆同学自己懈怠之不足，复致函返籍同学告以此种聪明之推测，阻其准期返校，此种心理实在最要不得。据1946年初《申报》上刊登的一篇文章称，“某一暑假中，学校被炸，梅先生亲自提着汽油灯，日夜赶修，卒能如期开课，可证明他们办学的精神了”。
抗战时期物价飞涨，联大师生生活十分艰苦。梅贻琦为了解决生活困难，利用清华工科院系的人力和设备，在清华校友中募集资金，开办了清华服务社。该社设机械工厂、机制木材厂、农场、碾米场等一系列生产机关。清华服务社的创收不仅贴补清华教师，还补贴了联大教师。按说，这是清华单独开办的事业，创收不给联大教师是有充分理由的，然而梅贻琦为联大的稳定与合作，还是毅然决定贴补联大教师。
1943年，梅贻琦接到母亲去世的消息，他一方面为兄弟四人皆不在母亲身边而感到遗憾，另一方面也没有同意弟弟梅贻宝登报代讣的提议。因忙于校务，他说：“故吾于校事亦不拟请假，惟冀以工作之努力，邀吾亲之灵鉴，而以告慰之耳。”
1941年4月，值清华三十周年校庆，逢十本应该大庆一番。他认为国难校难时期，没有什么可庆祝的，“无已，则唯有吾辈工作之努力，作母校纪念之贡品，爰与同人商定恢复本校原有之四种刊物：《清华学报》、《理科报告》、《社会科学季刊》、《工程季刊》。另于纪念日前后，举行一周之学术讨论会。凡此措施，一以尽吾人学术救国之责任，一以寄对于母校之忧思耳。纪念之日，各地同学，当均有机会，希于欢庆之余，亦各以尽力职守之决心，作贡献母校之最上礼品，则他日母校之光荣，其清其华，不系乎一园之水木矣。”
1940年9月，他在纪念自己执教25周年的公祝会上的答辞中说：“不过在这风雨飘摇之秋，清华正好像一个船，漂流在惊涛骇浪之中，有人正赶上负驾驶他的责任，此人必不应退却，必不应畏缩，只有鼓起勇气坚忍前进，虽然此时使人有长夜漫漫之感，但我们相信不久就要天明风停，到那时我们把这船好好地开回清华园，到那时他才能向清华的同人校友‘敢告无罪’。”这段话最充分地表现了抗战时期艰难办学时梅贻琦沉重的心情，也显示了他对前途的希望。
1948年12月，梅贻琦怀着复杂的心情离开了他眷恋的清华园，在南京、上海短期逗留后，又去了香港。1949年12月，梅贻琦飞抵纽约。1955年以前，他一直住在纽约。1955年11月，梅贻琦返台，继续他的大学教育事业。1962年5月，梅贻琦积劳成疾，溘然长逝。
