公元前221年，秦吞并山东六国，秦王嬴政（公元前259年～前210年）成为一统天下的至高君王。
不过，嬴政感到“王”的称号含义狭小，无法彰显自己的无量功德和人君的至上权威，于是责成群臣议举尊号。群臣和博士（古代的一种传授经学的官员）认为秦王平定天下，功业空前，远超五帝，鉴于古有三皇而泰皇最贵的传说，建议尊号更为“泰皇”，命为“制”，令为“诏”，自称为“朕”。秦王嬴政觉得自己功兼三皇五帝，决定从“三皇”、“五帝”中各取一字，号为“皇帝”，并批准“制”、“诏”、“朕”作为皇帝专用术语，不许他人使用。不可一世的秦始皇还说：“朕为始皇帝。后世以计数，二世三世至于万世，传之无穷。”然而可惜得很，秦始皇的理想未能变成现实，秦王朝二世而亡。不过，作为中国历史上的第一位皇帝，秦始皇确实是名留青史了。
秦始皇出生在战国时代。当时，战国七雄连年争战，各显其能。居住于中原地区的秦（今陕西），就是七雄之一。
秦始皇诞生前夕，正值其曾祖父秦昭王在位。秦昭王采取范睢“远交近攻”的兼并方针，大力进攻与秦土毗连的韩、魏二国，与赵国结成联盟。按惯例，秦赵成盟之后，秦始皇的父亲子楚被送到了赵国，作为人质。
子楚是秦昭王的孙子，太子安国君的儿子。安国君名柱，妻妾很多，有子20余人，子楚排行居中。子楚的母亲名夏姬，安国君并不爱她。子楚因母亲不得宠，自身又非长子，所以被作为质子发送赵国邯郸，成为一个流落异国的寒酸公子。
当时有一个做投机生意发了财的人，叫吕不韦。见到质子子楚，觉得奇货可居，就准备大大地做一把政治投机生意。吕不韦往来各国都市，对各国政局都很熟悉，对秦国太子宫闱的内幕更是了如指掌。他知道子楚不得志，而秦昭王最宠爱的华阳夫人又无子，便想以此为突破口，通过联合华阳夫人扶持子楚得到王位，而自己以“定国立君”之功大捞一把。
首先，吕不韦将五百金交予子楚，让他改善处境，广交宾客；同时另拿出五百金选购珍奇玩物，由自己随身携带西游秦国。吕不韦来到秦国，没有直接求见安国君和华阳夫人，而是拜访了华阳夫人的姐姐。吕不韦口若悬河，滔滔不绝地对她说起了子楚的贤惠和聪明，说子楚交结诸侯宾客，朋友遍天下，是一个胸怀远大抱负的青年，还说他身居异国，日夜思念安国君和华阳夫人，常说“夫人就是子楚的天”，往往到深夜还在流泪，不能成眠。最后，吕不韦拜托华阳夫人的姐姐把子楚的礼物和问候转呈华阳夫人。华阳夫人听姐姐亲口叙述了子楚的这番情况，又见到子楚给自己送的厚礼，不禁心花怒放，对子楚就有了很大的好感。
接着，吕不韦策划华阳夫人的姐姐去游说华阳夫人，劝她趁得宠时早定主张，在群公子中选择一位贤孝者作为自己的儿子，把他正式立为继承人，并说当今诸子中子楚最为贤孝，他自愿依附夫人，若把他扶持为继承人，就可终生在秦国得宠。华阳夫人正为无子苦恼，姐姐这番话，解开了自己心中的症结。从此，华阳夫人向安国君大吹枕头风，为子楚极力游说，最后安国君答应了华阳夫人的请求，并与华阳夫人刻符为信，约定立子楚为合法继承人。
接着，安国君和华阳夫人给子楚送去大批钱财，并请吕不韦作为师长扶助子楚。从此，子楚名声日盛，誉满诸侯。
吕不韦为子楚取得王位继承权后，就返回邯郸，终日与子楚饮酒作乐，广泛结交天下豪杰，专等秦国王位轮到子楚来坐，好一展宏图。他还为子楚找来一位能歌善舞的美貌姑娘同居，史称“赵姬”。
秦昭王四十八年（公元前259）正月，赵姬生下一子，就是嬴政。因他生于赵都邯郸，故以赵氏为姓；又因正月出生，故起名为正，一作政。后来赵政归秦，才从秦姓，更名为嬴政。赵姬生子以后，子楚把她立为夫人。
这时，秦赵两国失和，互相攻伐。后赵国割地求和，两国息兵。秦昭王四十八年九月，秦兵进攻邯郸，次年九月将邯郸包围起来，第三年，即秦昭王五十年，秦将王龁指挥重兵发起强攻，邯郸危在旦夕。穷急之中，赵国打算杀死子楚，聊解一点对秦的痛恨。子楚得到消息，与吕不韦商讨对策，向防守官吏行贿六百金，潜出邯郸城，逃奔围城的秦军，返回了秦国。赵国又打算杀死赵姬母子，由于赵姬是邯郸富豪之女，母子在娘家的深密掩藏下，竟躲过杀身大难，存活下来。
秦昭王五十六年，昭王死，太子安国君继位，是为秦孝文王。华阳夫人为王后，子楚为太子。这时秦赵关系已经缓和，赵国就把赵姬母子送归秦国。于是9岁的嬴政在生地邯郸度过了童年后，终于来到秦国。
秦孝文王在位时间甚短，他先服丧一年，然后正式即位，即位三天就死了。接着子楚继承王位，是为秦庄襄王。庄襄王一即位，便起用吕不韦做相国，封为文信侯，赏赐洛阳10万户作为他的食邑。
庄襄王在位时间也很短，三年就去世了。这样，秦庄襄王三年（公元前247年），13岁的少年嬴政登上了秦国的王位，王政由母亲赵太后和相国吕不韦执掌。
秦始皇继承秦国王位以后，吕不韦的权势进一步扩大。他继续官居相国，并取得作为国君长者的“仲父”尊号，不但食封大邑10万户，而且家僮万人，财力雄厚，成为秦国首屈一指的大富翁和政治暴发户。同时，他还招养门客三千，让他们著述见闻，然后为自己集论成书，这样秦国吕氏的书就可包罗天地万物古今之事，压倒东方诸子百家之说。
赵太后在秦庄襄王死后，孤身无偶，与吕不韦旧情萌发，二人时常私通。因秦始皇日渐长大，吕不韦恐怕隐私暴露，祸端临头，就为自己找了替身嫪毒假充宦官，送入太后宫中，侍奉太后。嫪毒深得太后宠爱，所掌政务悉由其决断，更拥有宾客千余人，家僮数千人，朝中官员争相交结，不少重要官员如卫尉竭、内史肆等都充当其党羽，成为秦国仅次于吕不韦的又一股政治势力。
这样，在秦始皇亲政以前，秦国已经形成两个与君权对立的政治集团，一个是吕不韦的吕氏集团，一个是嫪毒的后党集团，两个集团都将不利于他亲政之后行施君主权力。秦王八年（公元前239年），秦始皇已经21岁，按秦国制度，明年就要加冠亲政。就在这时，吕不韦公布《吕氏春秋》，嫪毒分土封侯，两个集团分别向秦始皇弄权示威。严峻的考验第一次摆在了年轻的秦始皇面前。
面对吕党和后党两集团的嚣张气焰，秦始皇未动声色。秦王九年（公元前238年）四月，他照预定计划到秦故都雍城的蕲年宫举行冠礼。嫪毒乘秦始皇至雍加冠之机矫秦王御玺和太后玺发动暴乱，企图进攻蕲年宫，杀死秦始皇。秦始皇早有戒备，立刻命令相国昌平君等人率军镇压，活捉嫪毒。九月，判决嫪毒车裂，诛灭三族；党羽骨干卫尉竭、内史肆、佐弋竭、中大夫令齐等20余人皆枭首示众；舍人都被判处服刑，受案件牵连的四千余家全部夺爵流放蜀地。秦始皇还杀死了赵太后与嫪毒所生的两个私生子，同时把母亲隔离于雍城宫中监视起来。后经群臣屡谏，秦始皇才亲自把赵太后迎回咸阳。
母亲牵连到相国吕不韦。秦始皇早已深感吕氏集团对秦国君权的威胁，就打算乘嫪毒案件诛杀吕不韦，一并清除吕氏集团。但是吕不韦辅佐先王继位的卓著功勋众所周知，在秦国也有深厚的根基，操之过急，难免败事，因而他暂时没有触动吕不韦。
秦王十年，秦始皇已经牢握国政，站稳脚跟，于是免去吕不韦的相国职位，将他轰出秦都咸阳，迁居封邑洛阳。吕不韦在洛阳居住期间，山东六国君主频繁地派人到洛阳向他请安。为防止吕不韦与山东六国勾结变乱，秦王十二年（公元前235年），他果断地决定置吕不韦于死地，根除祸患。于是派人给吕不韦送去一封书信，信中说：“君对秦国有何功劳？却封土洛阳，食邑十万。君与秦国有何血亲？却号称仲父，妄自尊大。快带家属滚到西蜀去住！”吕不韦受到这番凌辱，自度不免一死，于是服毒自尽。吕不韦死后，秦始皇还严惩了他的家人、宾客。
秦始皇亲政不久，就先后消灭嫪毒和吕不韦两大敌对势力，彻底肃清了自己行施君权的障碍。接着，他开始了统一山东六国的事业。在战国七雄中，秦国最具备完成统一的有利条件。秦国到秦始皇继承王位时，无论在经济力量上、军事力量上还是地理形势上，都具备了完成统一山东六国的条件。为了加快统一步伐，他在清除国内敌对势力的同时，发扬先王秦昭王遗风，礼贤下士，搜罗人才，重新组织文武骨干，并制定出新的战略方针。
当时，秦始皇的文武骨干约有20余人。其中王翦、王贲、蒙武、蒙恬出自将门世家，都是善于用兵、能征惯战的将才；顿弱、姚贾善长辞令，随机应变，精于组织和从事间谍活动；尉缭和李斯则是秦始皇的得力谋士。在战略上，他继续奉行先王“远交近攻”的战略方针，同时又采用了新的策略，即发动针对六国的间谍活动。
秦始皇首先向韩国起兵。秦王十四年（公元前233年），韩王献地称臣。秦王十七年（公元前230年），秦军攻韩，俘韩王安，尽取韩地，置为颍川郡，韩国灭亡。
秦王十八年秦分兵两路，大举攻赵，俘获赵王；赵公子嘉带数百人逃奔代郡（今河北蔚县一带），自立为代王。秦王二十五年，秦将王贲进攻代郡，俘代王嘉，赵国灭亡。
秦王二十年，秦始皇派王翦、辛胜大举攻燕，燕、代联军抵抗，被秦军破于易水之西。次年，秦又征发大军支援王翦，大败燕军，攻陷燕都蓟城（今北京），燕王逃向辽东。秦将李信穷追不舍，在衍水（今辽河流域）大破太子丹军，燕王被迫杀曾派荆轲刺秦王的太子丹，将头颅奉献秦军求和。秦王二十五年，秦将王贲进攻燕的辽东，俘燕王喜，燕国灭亡。
秦王二十二年，秦将王贲率军攻魏，掘引黄河、鸿沟，水灌魏都大梁（今河南开封）。三个月后，大梁城破，魏王假被俘，魏国灭亡。
秦王二十三年，秦始皇派李信、蒙武率兵二十万南下灭楚，大败而回。后采纳王翦意见，令其率兵60万伐楚，王翦用兵三年，楚国彻底灭亡。
齐国长期屈服于秦，苟且偷安，当秦国吞并山东各国的时候，既不援助别国抗秦，也不修整本国战备。始皇二十六年（公元前221年），山东其他五国已经无一存在，齐王与相国后胜才派兵防守西界，与秦断绝来往。王贲大军由燕南下，一举战胜齐军，俘齐王建，齐国灭亡。
秦始皇从秦王十七年（公元前230年）灭韩开始，到始皇二十六年，历经10年时间，终于完成了统一中国的大业。
武力统一完成之后，长期割据所形成的各地差异依然存在，秦始皇以巩固统一为核心，以秦国制度为蓝本，在政治、经济、文化等各个领域实行全面改革，创立空前庞大和统一的封建帝国。
始皇二十六年战争刚一结束，秦始皇就首先宣布了吞并山东六国的正义性和合理性，理由是韩、赵、魏、楚背叛盟约，燕、齐敌视秦国，所以要全部消灭。同时，他还着手确立秦王朝的正统地位。战国时流行五行（金木水火土）学说，所谓“五德始终”。这种学说认为，五德相克，导致朝代更迭，虞舜为土德，夏朝为木德，商朝为金德，周朝是火德，虞、夏、商、周各占一德，都是历史上的正统朝代。秦始皇从五德始终说推论，以为周得火德，水克火，秦代周，所以秦朝应得水德。于是颁布新的“正朔”，以十月初一为一年的开始，表示新朝代的诞生，并把黄河（古称为河）改名为“德水”。按五行学说，水德具有黑暗阴冷、严酷无情的特性，于是秦朝以黑色为上，衣服旗帜皆为黑色，百姓也改称为“黔（黑色）首”。明确秦朝得占水德，也就明确了秦朝的合理性。秦始皇又到泰山举行封禅典礼，告祭天神地祇，把秦朝在中国历史上的正统地位进一步确立起来。
王朝地位确立后，接着就是君王权位的问题。经群臣郑重讨论，确定尊号曰“皇帝”，整个帝国都是属于皇帝的，其地位和权力至高无上，朝廷和地方的主要官吏都由皇帝任免。皇帝自称为“朕”，命称为“制”，令称为“诏”，行施权力的凭证是玉玺。只有皇帝的印才称为玺，只有玺才能使用玉料，玉玺与朕、制、诏一样，都是皇帝的专擅之物，不许臣民使用。皇帝名号和权位确定以后，皇帝的至亲也随之各建尊号，父亲曰“太上皇”（秦始皇定号的当年就追尊庄襄王为太上皇），母亲曰“皇太后”，正妻曰“皇后”。秦始皇还命令博士官参照六国礼仪，制定了一套尊君抑臣的朝仪，皇帝高高在上，群臣听传令官之令趋步入殿拜见皇帝；群臣上书奏事，一律要采用“臣某昧死言”的格式。为了充分行施自己的最高权力，秦始皇每天都在夜以继日地拼命操劳，白天断狱，夜批公文，并给自己规定，不批完一石公文（秦代公文使用竹简木牍，一石为120斤，约合今60市斤），决不休息。
中央和地方的关系如何处理，也是重大问题。对此，丞相王绾主张分封，在各封国设国王，秦始皇把丞相的建议交给群臣讨论，群臣都表示赞同，惟新任廷尉的李斯力排众议，独执己见，他说：“周文王和周武王曾分封许多同姓子弟，然而后代关系疏远，相互攻击，如同仇人，诸侯之间也互相杀伐，周天子不能禁止。现在赖陛下神威，海内一统，全部设置郡县，对诸子和功臣则用国家的赋税给予重大赏赐，很容易进行控制。使天下没有二心，就是安定的方针，分封侯王是不成的。”秦始皇认为李斯的意见正确。于是废分封、置郡县，把天下分为36郡，并在全国范围内建立了一套有利于中央集权和皇帝专制的行政机构。
朝廷以皇帝为首，下设三公九卿。三公是左右丞相、太尉和御史大夫。丞相是中央行政机构的最高长官，协助皇帝处理全国政务，国家大事一般由丞相总领百官进行集议和上奏。太尉是中央行政机构的军事长官，协助皇帝掌管军事，但平时没有兵权，只有接到皇帝命令和符节时才能调动或指挥军队。御史大夫是副丞相，相当于皇帝的秘书长，皇帝诏命常由御史大夫转交丞相颁布，御史大夫协助丞相治事，并有监察文武百官的职权。三公之下设有九卿，即奉常、郎中令、卫尉、太仆、廷尉、典客、宗正、治粟内史和少府，负责掌管各方面的具体政务。奉常是礼教官，掌管宗庙礼仪。郎中令是传达、警卫官，掌管皇帝的传达和安全警卫。卫尉是皇宫卫队长，掌管皇宫守卫。太仆是皇帝的仆从长官，掌管皇帝的车马。廷尉是最高司法官，掌管刑法和审理重大案件。典客是外交官，掌管外交和国内少数民族事务。宗正是维护皇室利益的官职，掌管皇室宗族事务。治粟内史是最高财政官，掌管全国租税收入和财政开支。少府是皇帝的私人财务官，掌管山海湖泊税账、宫廷手工业和皇室私财。
地方以郡、县为基本行政单位，下分乡、亭、里、什伍。郡设郡守，作为一郡最高行政长官，直接受朝廷管辖。郡守之下有郡尉辅佐郡守，并兼管郡中军务；又有监御史，负责监察。郡内分为若干县，万户以上设县令，不满万户设县长，主管全县政务，受郡守管辖。县令、县长下有县尉管县中军务，有县丞助理令长并兼管司法。县内分为若干乡，乡有啬夫主管乡务，三老主管教化，游徼主管治安。交通要道往往设亭，负责邮传和追捕盗贼。里是民间居住区，有里正。居民的基层组织是什和伍。十家为什，有什长；五家为伍，有伍长。什伍互相监督，有罪连坐。
秦始皇设置的这套行政制度，起到了层层控制，权力向上集中的作用，从朝廷到地方，从郡县到乡里，构成了一张庞大的统治网，使分散的地方权逐层向上集中，最后集中到朝廷，再通过朝廷集中于皇帝手中。这套行政制度，对国家统一、中央集权和君主专制都起到了重大作用。
当然，这一套制度的维持，还有相应的物质基础和措施。首先是迁徙豪富，把天下豪富12万户迁到咸阳，使六国贵族失去反抗的社会基础和物质基础，便于帝国的监视和控制；其次是没收兵器，把民间兵器全部没收，集中到咸阳销毁，铸成了钟座和十二金人，从而剥夺了反抗的武器；第三是毁坏城防，秦始皇下令一律拆毁六国首都城郭和边城、关塞。破坏了分裂帝国的割据凭藉；第四是修筑驰道，以咸阳为中心，一条东通今河北、山东的海边，一条南通今两湖、江苏等地，一条北通今内蒙（又曰直道）。驰道宽50步，路基夯实，两旁每隔三丈种青松一棵。三条主要驰道外，通岭南有“灵渠”和“新道”，通西南山险地区则修了“五尺道”。这一条交通网，大大便利了帝国中央对广大领土的控制。
统一之初，各地沿用旧制，诸项法规制度处于极端混乱状态。对此，秦始皇也采取了相应的措施，颁布执行各项统一的法规。首先是颁行统一法律。商鞅变法时，采用魏国李悝所著的《法经》作为秦国法律的蓝本。“法”为“律”，并增加“什伍连坐”和参夷等内容。秦始皇统一六国后，把秦律颁布全国执行，结束了战国时代各国法律条文不一致的状况。秦律具有苛刻严明的特征，对于“治吏”尤为重视，大量律条是针对官吏犯罪制定，官吏犯过，刑罚必加，绝无宽恕余地，所以秦代吏治清明，官吏不敢贪污受贿，也不敢玩忽职守，理事效率极高。
除法律之外，秦始皇还采取了许多统一措施，诸如统一度量衡、货币，简化和统一汉字等，史称“车同轨，书同文”。这些，都对统一帝国的巩固和发展起了巨大作用。
在国家疆域方面，秦始皇于统一后派大将蒙恬北攻匈奴，解除了匈奴对秦朝北境的威胁。接着便在那里设置34县，移民开垦，并大规模修筑长城作为帝国的北疆。长城西起陇西临洮（今甘肃岷县），东至辽东碣石（今大同江附近），延绵万里，成为举世闻名的奇迹。对“南越”居住的岭南广大地区，秦始皇也进行了征服和统一。五岭山高水险，交通不便，为了解决军粮运输，秦始皇在今广西兴安县北开凿了灵渠（又名兴安运河），灵渠沟通湘、漓二水，使长江和珠江两大水系连接起来。另外，又修筑了一条“新道”。大大方便了内地与岭南的交通运输。统一岭南后，秦始皇设置南海、桂林、象郡，作为帝国南部边郡，并徙民戍守，与越杂居。北筑长城和南戍五岭两项大功告成，就大体上划定了秦朝东到辽东，西至陇西，北至阴山，南至南海中国历史上的空前辽阔的帝国疆域。
成为“皇帝”的秦始皇踌躇满志，不可一世，严刑峻法，横征暴敛，无所不用其极。
秦始皇在兼并六国时，每灭一国，就命人把该国宫殿绘制图样，在咸阳仿造。统一后，他曾打算扩建苑囿，西起雍、陈仓（今陕西凤翔、宝鸡一带），东至函谷关（今河南灵宝东北），面积广阔，东西千里，秦始皇身边的侏儒优旃爱开玩笑，他说：“好极了！这么大的苑囿，多放凶禽猛兽，有强盗从东方进犯，让麋鹿出动就把他们顶跑了。”秦始皇听后大笑，这才作罢。他虽然没有扩建这一苑囿，却到处建造离宫别馆，仅首都咸阳四周200里内就有宫殿270座，关中有行宫300座，关外400多座。
在秦始皇兴修的宫殿中，规模最大的宫殿是阿房宫。阿房宫究竟有多大是难以确估的。据载，阿房宫的前殿东西宽500步（约合今700米），南北长50丈（约合今115米），上面可坐万人，下面可竖5丈大旗。殿门以磁石做成，用防刺客暗携兵器入殿。殿门前排列没收民间武器铸成的十二尊金人，各重24万斤。这项宏大的工程，常年用工70万人，还没有等到建成，秦始皇就去世了。后来项羽入关放火焚烧，一连三月还没全部烧毁。
骊山墓是秦始皇的另一项宏大工程。秦始皇刚即位，就开始在骊山为自己修造坟墓，统一后扩大规模修造，常年使用刑徒72万人，一直修到他死。
阿房宫和骊山墓两项宏大工程，就用去了精壮劳力140余万人，加上北筑长城，南戍五岭，修驰道，造离宫，以及其他兵役杂役，常年动用民力多达300余万。丁男全被征发服役，部分丁女也裹入服役队伍。沉重的兵役徭役压得人民喘不过气来，又加以苛捐杂税，于是海内虚耗，民穷财尽。秦自孝公以来奉行法家学说，法家急法尚刑，六国皆称秦为虎狼之国。秦始皇即位后继续推崇法家，他为人苛薄寡恩，用刑残酷，杀人如麻，使秦政的残暴达到高峰。人民扬手犯法，举足触律，无所措手足，大批无辜者被罗为刑徒去服苦役，路上行人半数都是囚犯。长城脚下，阿房宫中，骊山墓旁以及五岭路上，处处如此，秦帝国成了一座人间大地狱，百姓生活在恐怖之中。
秦始皇的残暴统治，引起了社会的普遍不满。一直对秦恨之入骨的六国贵族首当其冲，多次采用暗杀方式行刺秦始皇；士人得不到信用，纷纷指责秦的统治政策；广大百姓刚刚脱离战争之苦，本来拥护统一，但秦的暴政又引起了他们对故国的怀念，转而诅咒秦始皇早死，秦朝快亡。
士人的指责，引起了秦朝廷的不满。当时已经升任丞相的李斯决定打击士人的议政之风，就给秦始皇上了一封咄咄逼人的奏书，建议“命令史官将《秦记》以外的史书统统烧毁。除博士官掌管收藏以外，天下所有的《诗》、《书》和诸子百家书籍，一律送到郡中烧毁，有敢谈论《诗》、《书》的人杀头，以古非今的灭族。官吏知情不报同罪。令下30日不烧即判刑。保存医药、卜筮和农书不毁。如果有人想学法令，拜官吏为师。”秦始皇批准了李斯的奏书，全国各地便展开了一场大规模的“焚书”活动。
焚书并未能封起士人的口来。加上秦始皇妄信神仙家之说，民情怨愤，士人的议论如浪如潮。秦始皇大怒，派御史进行调查。结果犯禁者四百六十余人，秦始皇把他们全部坑埋在骊山深谷。因为其中多为儒生，所以史称“坑儒”。
秦始皇的长子扶苏进谏说：“天下初定，远方的百姓还没有安下心来，诸位先生都诵法孔子，陛下重法绳之，臣恐天下不安。望陛下三思。”秦始皇怒扶苏多嘴，把他赶出咸阳，让他到北边的上郡（今陕西榆林东南）去执行监军任务。
不仅士人，黔首百姓也在怨恨秦始皇。楚地流行着“楚虽三户，亡秦必楚”的歌谣，诅咒秦王朝灭亡。始皇三十六年（公元前211年），东郡（今河南濮阳一带）落下一块陨石，有人在石上刻了一行字：“如皇帝死而地分。”秦始皇知道后，派遣御史追查刻字人，由于无人承认，便把陨石附近的居民全部杀死，然后销毁陨石。尽管如此，朝野的怨恨不能稍减。
秦始皇自忖功盖三皇五帝，而且也确实有些政绩，所以一方面是为了解下情，炫耀威风，一方面是寻访仙山、希求长生，他总是接连不断地出巡。
早在统一之前，随着兼并战争的胜利步伐，他就先后到过洛阳、邯郸以及楚国的首都郢、陈等地。统一的第二年，出于防御匈奴的需要，他巡视西北边郡陇西和北地二郡，越过鸡头山（位于今六盘山中段），由回中（今甘肃华亭南）返回咸阳。从统一的第三年起，他开始了全国性的大巡游。共巡游四次，跋涉名山大川，足迹几乎遍及了全国各地。在巡游途中，他到处刻石，如《泰山刻石》、《琅邪刻石》、《芝罘刻石》、《东观刻石》、《碣石刻石》、《会稽刻石》，其内容主要是歌颂秦始皇的功德，宣扬结束战争、统一天下、制定国策以及革除旧俗的正义性和优越性。他总以为神仙就在东海，要见神仙，只有多去沿海之滨，所以他四次大巡游，都是到沿海地区，一临碣石（今河北昌黎北），两登成山（今山东成山角），三次来到琅邪和之罘，这些地方是传说中的神仙登岸点。在巡游途中，秦始皇每到一地，便派遣大量的方士去寻找神仙，求取长生仙药。
始皇三十一年（公元前210年），秦始皇进行他的最后一次巡游。他从咸阳出发，首先来到南方的云梦（今洪湖、洞庭湖一带），在九疑山祭祀了虞舜。然后顺江东下，由丹阳（今安徽当涂东）登陆，来到钱塘（今浙江杭州），绕道向西120里渡江登上会稽山，在山上祭祀了大禹。祭罢大禹，秦始皇在会稽山刻石留念，然后下山，经吴中（今江苏吴县）北上。秦始皇一行从江乘（今江苏镇江）渡江，一直沿着海边向北，又来到琅邪。他总想能在海边有所收获，遇见仙人或得到仙药，所以一直靠着海岸走，然而仍一无所获。看看求仙无望，便决定返回咸阳。连日的旅途劳累，加上心情沮丧，到平原津（今山东平原附近）就病倒了。
当时，跟随秦始皇出游的有左丞相李斯、中车府令赵高等人，还有秦始皇的少子胡亥。虽然秦始皇已经病危，但由于他最厌恶死亡，忌讳“死”字，所以李斯等无人敢向他问及后事。不过，随着病情加重，秦始皇自己也明白死到临头了，于是给在北边监军的长子扶苏留下玺书，让他急赴咸阳主办丧事，明确地安排由扶苏来继承帝位。玺书封好后，放在中车府令赵高处。玺书还没有来得及交予使者，行舆至沙丘平台（今河北广宗西北），秦始皇就病逝了。时为始皇三十一年七月。秦始皇在位37年，称王25年，称帝12年，终年50岁。
丞相李斯见秦始皇死在途中，恐怕咸阳诸公子争夺继承权和天下叛乱，采取了保密措施，把秦始皇的尸体载在可以躺卧的车中继续前进。天气日益炎热，尸体臭味扑鼻，为了掩盖尸臭，李斯命令从官每车载一石鲍鱼。就这样，行舆大队浩浩荡荡，一路臭气熏天，返回咸阳。在归途中，赵高乘机策动政变。他勾结李斯篡改了秦始皇的遗嘱，扶立少子胡亥继承帝位，并派人逼死扶苏。返回咸阳以后，胡亥继位。是为秦二世皇帝。
九月，为秦始皇举行隆重葬礼，安葬骊山。骊山墓是秦始皇用70多万人力，历时十余年修建的一项巨大墓葬工程。骊山墓坟高50丈，遍植树木，形如大山。墓室极深，下穿三泉，灌铜液阻挡泉水。墓室顶部用珠宝设日月星辰之象，底部用水银作江河大海之势，上具天文，下具地理，机械转动，巨烛照明，室内序列百官次位。罗满奇珍异宝，又以能工巧匠设置机械弩矢，有人穿墓近室，弩矢自发，射杀窃贼。秦始皇帝陵现在陕西临潼县东5公里的下河村附近，今坟高55.05米，周长2000米。