出任校长
1918年，北京有两所教会大学决定合并：一所是汇文大学，一所是协和大学。这两所私立大学在1900年的义和团事件后试图合并，却因内在矛盾太多，多次协商未果。直到1918年才达成妥协，决定选聘一位与原来两校都没有关系的人担任校长。此时司徒雷登在南京神学院执教多年，成为新校长的最佳人选，但几乎所有朋友都劝他婉拒。而他最终接受了这个挑战。1919年元月，司徒雷登北上，会见即将合并的两校有关人士，经多方斡旋，成立了由蔡元培等五人组成的校名委员会，最后采纳了诚静怡博士的建议，以“燕京大学”为校名，同时也解决了其他矛盾。司徒雷登正式出任燕京大学第一任校长。
筹款扩建
司徒雷登接手的燕京大学，校址在北京东城的盔甲厂，规模很小，学生只有94人，大多数靠奖学金维持。教员中两位是有博士学位的中国人，外籍教员很少够资格在大学任教。经费不足，只够开销的一半。司徒雷登一边改善原有的小摊子，一边策划另起炉灶。从1922年起，他15年内往返美国10次，募捐筹款，其中一次就募得150万美元。这在当时几乎是个天文数字。有了经费后，他决定给学校另选新址。他和同事寻遍北京四郊，找到清华园西边的一块地。这里原是清代一个亲王废弃的园地，后转到陕西督军陈树藩手中。司徒雷登专门到陕西会见陈树藩，陈对建校很感兴趣，以6万大洋将地产卖给燕京大学，并把其中的1/3捐作奖学金。这一块地有40公顷，再加上陆续又在附近买进的其他荒废园地，使燕京大学的总面积达到原来的数倍之多。
经过数年建设，1929年新校址正式投入使用。燕京大学校园的建设，融合了中西文化，是司徒雷登的得意之作。他自豪地宣称：“凡是来访者，无不称赞燕京大学是世界上最美丽的校园——它有助于加深学生对这个学校及其国际主义理想的感情。”
培养人才
燕京大学仅仅存在了33年（1952年停办），其间还受到日本侵华战争的严重干扰，注册学生总共不超过10000名，却为中国培育了一大批高水平的人才，很多是各个领域的领军人物：其中中国科学院院士42人，中国工程院院士11人，再加上其他卓有成绩者，超过100人，占了注册学生的1%以上，可说是科学家的摇篮。二战时，中国驻世界各大城市的新闻特派员，9/10是燕京大学新闻系的毕业生。
响应政策
燕京大学是教会学校，资金也主要来自教会。司徒雷登意识到若严格遵循教会原来的办学思想，不顾中国人的意愿，学校就无法生存；只有教育政策反映中国舆论的要求，学校才可在中国立足和发展。司徒雷登认为中国人有权规定外国人在中国国土上实施怎样的教育，所以当1925年中国政府教育部公布教会学校立案规章的时候，燕京大学响应最快。按这个规章，校长一职必须聘用中国人，校董事会也得中国董事占多数。以前的董事会当然激烈反对，司徒雷登费了不少工夫说服他们。对于教育部禁止强迫学生崇拜宗教、禁止设置必修的宗教课程，司徒雷登都完全赞成，他也由校长退居校务长。这些都使得燕京大学虽为教会学校，却逐渐中国化，得到了中国人的认同。
聘请名师
司徒雷登深知，要把燕京大学办成一流大学，必须要有一流的教师。他坚持由学校自行聘请教师；所有教师不必信教；按教授等级，中外教师同等同酬；对有名望、有真才实学者，登门拜访，高薪聘用。燕京大学云集了当时的一批大师，陈寅恪、郑振铎、谢冰心、钱玄同、费孝通、顾颉刚、张友渔、斯诺等都曾在燕京大学任教。教授月薪360大洋（银元），校长月薪500大洋。司徒雷登只拿教授月薪。当时的国立大学常有欠薪情况，燕京大学从不拖欠。
燕京学社
真正让燕京大学跻身世界一流大学地位的，则是哈佛燕京学社的建立。司徒雷登了解到美国铝业大王霍尔(1863—1914)有一笔巨额遗产捐作教育基金，并声明遗产中一部分用于研究中国文化，由一所美国大学和一所中国大学联合组成一个机构，来执行这项计划。起初遗嘱执行机构选了美国的哈佛大学和中国的北京大学，但司徒雷登设法成功地说服哈佛大学与燕京大学合作，于1928年春成立哈佛燕京学社，并设立燕京学社北平办事处。
司徒雷登通过老朋友哈利卢斯博士的帮助而与霍尔遗嘱执行人克里夫兰律师见面之后，那位律师终于答应给燕京大学五十万，不过却要在一年之后，因为他要确认燕京大学是”一所值得支持的大学“。
一年之后，司徒雷登再次见到这位律师，他还没有说话，律师就提出要实现诺言，不过，律师“变卦”了，因为他给燕京的不是五十万，而是增加了一倍——一百万。司徒雷登当然不会错过这样的好机会，他趁机提出燕京发展的困难，并把款项要求提高到一百五十万，不过这次律师答应得比第一次就爽快多了。以当时燕京大学的实力，能够和哈佛这样当时在世界处于一流位置的学校联合，司徒雷登也不免有些自得。他说：“承蒙哈佛当局欣然允诺，将他们那所大学的美好名字同中国一所小小的教会学校连在一起，实在令人感激。” 支持学生的爱国行动，是司徒雷登主政燕京大学20多年里始终坚持的理念。
1920年4月，全国学联因政府与日本就山东问题的谈判宣布罢课，以示抗议。燕京大学的师生员工响应学联的决议，停课六星期，耽误的学业在暑假补足。1925年“五卅惨案”刚发生，燕京大学就发表了宣言，而代表中、美、英等国籍的燕京大学教职员起草宣言、责问英国当局的，正是一位英籍教授。这其中有着校长司徒雷登的支持。
亲自游行
1931年“九一八”事变后，司徒雷登亲自带领数百名燕京大学师生走上街头游行，在队伍最前方高呼：“打倒日本帝国主义！”1934年司徒雷登赴美，突然接到燕京大学要他返校的急电，原来北京学生为反对政府对日不抵抗政策，组织请愿团赴南京，燕京大学学生宣布罢课。司徒雷登赶回后，立即召开全校大会。一些人以为司徒雷登不会支持罢课，他却说：“我在上海下船时，首先问来接我的人，燕大的学生是否也去南京请愿了。我听到答复‘是’，这才放心。如果此次燕大学生没有参加请愿，那说明这些年来我的教育就完全失败了。”1935年“一二九”学生运动，为抗议日本暗中策划的华北自治阴谋，燕京大学的学生徒步向西直门进发——男同学的领袖就是后来曾任中国外交部部长的黄华。
抗日战争正式爆发后，日本占领北平。日方经常找借口挑衅，逮捕燕京大学师生。司徒雷登少不得出面斡旋，奔走于美国领事馆和日本驻军司令部之间，他曾这样说：“北平沦陷期间，我的学生在参加爱国活动之后，回校时总会兴奋地告诉我，他们是如何用实际行动报效祖国和人民的。这使我感到十分欣慰。尤为感人的是他们已在身体力行燕大的校训‘因真理，得自由，以服务’。”
继续办学
北平沦陷前一年，司徒雷登回美国时，就商得美国托事部的同意，即便北平沦陷，也要继续办学。许多中国学龄青年，一时不能到后方去，又不愿就学于敌伪政权支配下的学校——燕京大学就成了他们理想的选择。从七七事变到1941年日本偷袭珍珠港的四年半里，燕京大学保持着办学的常态。司徒雷登重新担任校长，他策略性地强调燕大是美国学校，悬挂起美国国旗，以防日机轰炸，还聘请了一位会说日语的燕大校友为校长秘书，与日方周旋，包括保释被捕的燕大学生。
1939年，司徒雷登在一次对全校师生的讲话中说：“燕京大学不是‘世外桃源’，不能‘两耳不闻窗外事’，而是要关心国家大事”，“现在的燕京大学处在沦陷区，不要被日寇的反面宣传所迷惑”。日本人曾提出让日本学生进燕大读书的要求，司徒雷登表面同意，但坚持应和中国学生一样经考试合格方能录取，结果虽有日本学生报考，却因未达到标准，无一人进入燕大。
身陷囹圄
1941年12月太平洋战争爆发，日本不再顾忌美国方面的反应。在战争爆发的当天早晨，早已对司徒雷登和燕京大学心怀不满的日本宪兵队闯进燕园，对学校实行包围和封锁，并逮捕了燕大师生18人。
司徒雷登当时正在天津为学校募捐，借住在英商汤生公司。日本宪兵队将他逮捕并押到北京。司徒雷登被捕之后，美国国务院一再态度强硬地要求日本释放司徒雷登，这恰恰让日本认为司徒雷登是个举足轻重的人物，并决定在需要他发挥作用的那一天再释放他。因此，在其他燕大师生被营救出来之后，司徒雷登又独自在日本人的监狱里多待了4年，一直到1945年抗日战争胜利。
刚进监狱的时候，司徒雷登受到了审问，但是日本人一无所获。在之后的日子里，他被允许看两份报纸，一份是北京出的英文报纸，一份是英文版的《大阪每日新闻》。
四年的监禁生涯中，司徒雷登完成了他的大部分自传。后来，司徒雷登根据他在狱中所写的自传写成了《在华五十年》一书。
出狱后的第二天，他就回到燕大，着手重建校园——10月10日，燕大又一次开学了。 外交生手
1945年，内战迫在眉睫。美国总统杜鲁门派遣马歇尔为特使，到中国调处国共纠纷，希望化干戈为玉帛。由于复杂的原因，调停失败。这时，马歇尔却提名司徒雷登担任美国驻华大使。马歇尔觉得自己已经无能为力、无事可做了，换一个人，也许会出现转机。而司徒雷登对中国和中国作风知之广泛，中国各阶层人士都能接受他，国共双方都有他的学生担任着重要职务，所以他虽然是个外交“生手”，还是被杜鲁门任命为美国驻华大使。
和平努力
1947年7月，司徒雷登在南京履职。司徒雷登以促成中国的和平为己任，试图组建中国的联合政府，他曾这样写道：“我之参与若存一线希望，促使国民党人与共产党人组成联合政府及统一的军队以结束此场耗竭民力、自相残杀之内战，我即不惜代价，全力以赴。”但蒋介石领导下的国民政府不听他的，美国政府也偏袒国民政府，他作为大使，又不得不服从美国政府的决策——他的一切努力都失败了，内战全面爆发。司徒雷登痛责自己失职，写道：“我辜负了中国人民对我的信任。我未能说服任何一方为达成协议而作出让步。”到1948年，国民党军队节节败退，1949年4月，人民解放军攻占南京。苏联驻华大使随国民政府迁到广州，但司徒雷登仍留在南京，他想和中共保持接触。他表示中国问题不只是一个对华政策问题，而且也是关系到世界和平的问题，希望解决好中美关系，这对世界和平是一大贡献。
被迫返美
毛泽东转托时任燕京大学校长的陆志韦写信给司徒雷登，表示他可以个人身份到北平参加燕大校庆。周恩来则通过黄华表示，欢迎司徒雷登回燕京大学一行，并表示可能一晤。但是在司徒雷登就北平之行向美国国务院请示时，却遭到拒绝，并要求他立即返美。这样，司徒雷登在解放了的南京“坐着不动”100多天后，不得不离开。国民党政府还希望他先到广州，再回美国，认为这将是对国民党政府精神上的支持。司徒雷登没有这样做，乘飞机从南京直飞冲绳，并在那里发表声明，赞成中共领导的中国政府，但美国国务院未让这个声明在美国发表，还电告他不得再作声明。
司徒雷登就这样黯然离别生活了45年的中国，从此再也没有踏上中国的土地。 回到美国仅3个月，司徒雷登一病不起，严重的中风后遗症使他在轮椅和病榻上度过了最后的13个春秋。那时，司徒雷登身边没有亲人相伴，他的妻子在他50岁时病逝于北京，唯一的儿子也不在身边。他的生活起居完全依赖从年青时便追随在他身边的私人秘书傅泾波及其家人照料。司徒雷登立下遗嘱，请傅泾波在他去世后，如有可能，将他的骨灰安葬在他妻子的墓地旁。
1962年9月19日，司徒雷登在华盛顿病故。 2008年，在美国驻华大使雷德、燕京大学老校友们和杭州市民的注视下，阔别中国60年的司徒雷登之魂，再度回到了中国杭州。11月17日，前美国驻华大使司徒雷登的骨灰葬于杭州半山安贤园。墓碑上写着：“司徒雷登，1876—1962，燕京大学首任校长。”