蔡孟堅早年就讀萍鄉中學、青島大學經濟系，期間加入國民黨；後赴日本留學，入慶應大學、東京大學研究部學習。返國後，蔡孟堅進入國民黨中央組織部調查科（中統）任職，派駐武漢並擔任漢口市警察局長，在1931年時以逮捕並策反中共情報首領顧順章而聞名，後升任湖北省警察局長。抗戰期間，蔡孟堅出任武漢警備副司令並參加武漢會戰，後調任軍政部監護總隊總隊長，負責保護兵工、後勤等任務，也曾接濟自中共叛逃而來的前總書記張國燾。
戰後，蔡孟堅轉任甘肅省民政廳長，後又擔任蘭州市長、江西省建設廳長等職務，並當選為國大代表，1949年後赴臺灣。蔡孟堅移居臺灣後曾擔任蔣中正私人駐日代表、中國電影公司董事長、國民黨中評委等，退休後移居日本，再轉往美國定居。2001年1月，蔡孟堅在美國加州逝世。留有《蔡孟堅傳真集》。