始皇帝三十二年，蒙恬奏報，長城和馳道都有修築完成。
于是始皇帝決定再次巡游北方，出巡的主要目的是巡視北方邊塞。
始皇帝從咸陽出發，沿途經過原韓、趙、魏、齊的邊境交界之地。始皇帝看到很多城郭城牆堅固高大，並在四周又建有圍牆，感到非常奇怪，便問道︰「此處為何城郭如此高大堅固？若有人據此造反，豈不是會很難被攻克嗎？」
李斯道︰「這些城池以前都在諸侯國的交界地帶，各國之間長期征戰，彼此都互不信任。因此，各國爭相在邊境修築城牆，增固城郭！」
始皇帝道︰「如今四海統一，要這些城郭何用？傳朕的旨意，搗毀此前各諸侯國修建的城郭，將原來疆界之間的川防全部拆除，夷平大道上的險阻。」
始皇帝一路前行，所經之處命各郡太守拆除城郭。
來到北地，始皇帝看到百姓比幾年之前明顯多了起來，邊防情況也大為改善。于是始皇帝召當地縣令問道︰「這幾年匈奴可還經常騷擾此地嗎？」
縣令道︰「自從蒙將軍築起長城，匈奴人便很少來了。只是此前長期經歷匈奴的侵擾，本地百姓都心有余悸，況且，現在只是擋住了匈奴，城牆之外還是有很多胡人放牧，因此下官雖然也努力勸說，但是很多百姓仍然不敢回來。」
始皇帝道︰「你說的倒也是實情，雖然現在此地相比以前百姓多了不少，但比較關中各地還是很蕭條啊。」
縣令趁機道︰「希望陛下可以將富庶之地的百姓移民過來，這樣本地就可以快速發展了！」
「嗯，這倒是個不錯的辦法，等朕徹底滅了匈奴，就移民，不然匈奴一來又被嚇跑了。」
始皇帝繼續前行，途徑太原，始皇帝召見蒙恬。
這一路走來，始皇帝看到邊防大有改善，而且百姓也多了，高興的道︰「朕此番出巡先是走直道，後轉為馳道，較上次出巡順暢多了，不僅彎曲的小道少了，路面也更加寬敞，沿途百姓明顯增多，將軍功不可沒啊！」
蒙恬答道︰「陛下過獎了，這都是臣的分內之事！如今運糧效率比此前提高了一倍還多，十幾日就可將咸陽的糧草運到邊關，我大秦將士再也不用擔心挨餓了！」
始皇帝也非常高興，道︰「是啊，將士們駐守邊關多非常辛苦，朕以前想犒賞他們一下都難啊！如今馳道可是幫了我們的大忙啊！哈哈……」
始皇帝又問道︰「將軍奏報上說長城已經修築完成？其防御效果如何？」
蒙恬道︰「臣正要稟告陛下！以前城牆殘破，需要處處駐兵把守，而今長城修築完成，只需要在緊要處設立哨衛，一旦發現敵情，便燃氣狼煙，我軍可通過長城迅速增援，任匈奴軍從哪里進攻，我們都可以應對自如！用于防守的兵力大大減少！」
說完，蒙恬又得意的說道︰「陛下可知，這長城除了防御，還能成為進攻的助力！」
「城牆又不能動，如何進攻？」
蒙恬道︰「去年，匈奴軍小股入侵，他們依仗騎兵行動迅速，趁秦軍換防的間隙闖入代郡搶掠，恰巧此時我巡查到此，立刻下令戍卒阻住匈奴騎兵進來時的入口，出兵圍剿。匈奴騎兵三面都是長城圍牆，無法突破，只得回頭與我軍硬拼，被我軍全部被殲滅。」
始皇帝驚訝道︰「長城還有這種用處，確實是進可攻退可守啊！」
始皇帝見到邊關的情況已經大為改變，心中舒暢，此時已經有了討伐匈奴的想法，臨行前命蒙恬加緊備戰。
始皇帝離開邊關後繼續前行，進入燕趙之地。術士們听說始皇帝重生死，每次都厚賞為他求仙的術士，因此爭相拜見。始皇帝經歷了在咸陽的遇刺之後，更加感受到生命的短暫與渺小，也急于尋求長生不老藥。
燕地術士盧生覲見始皇帝，對始皇帝說道︰「我曾經從燕地出海，遇到仙山，便登了上去，山上有兩位仙人，自稱羨門、高誓。」
始皇帝听說過羨門、高誓成仙的故事，他們都是通過自己的修煉而變成仙人的。于是始皇帝問道︰「先生可有向仙人請教長生不老之術？」
「這個小民也曾問過仙人，仙人說神山上有仙樹，可長出長生不老果，吃了之後便可成仙。但是我去的時候剛好是夏天，長生不老果尚未成熟，仙人便讓我秋天再去。」
「如今秋天就要到來，先生可願意為我去求長生不老藥？」始皇帝異常興奮，仿佛長生不老藥就在眼前。
「只要陛下命令，我哪敢不從？只是仙人要見到誠意才肯給藥！」
于是始皇帝賜予盧生大量財物，委派他去尋找仙人，以求得不死藥。
經過兩個多月，始皇帝到達巡游的終點，渤海的碣石山。面對滔滔的海水，始皇帝興致盎然，轉身問群臣︰「你們可知道海的那邊是什麼？」
長子扶蘇道︰「遠方海天連在一起，因此那邊應該就是上天吧！」
趙高道︰「術士們都說神山在海中，因此臣以為海的那邊應該是神山，神仙就住在那里！」
始皇帝哈哈一笑，問道李斯︰「丞相以為呢？」
李斯不知始皇帝的意圖，謹慎的答道︰「臣未曾到過那里，不敢妄加猜測！」
始皇帝道︰「朕就是讓你猜一下，不必如此拘謹。」
李斯道︰「凡日月之所照都是大秦的天下，臣料想那遠方也不過是一片虛無。」
「一片虛無？」始皇帝覺得這個回答很有意思，道︰「眾卿都說的不錯，有朝一日，朕想親自去看一看，一探究竟，再回來給你們評判，哈哈……」
眾人也都跟著大笑起來。
秦始皇命李斯在碣石城門上刻辭。刻辭說道︰
皇帝建國，德並諸侯，初平泰壹。
卅有二年，巡登碣石，照臨四極。
從臣群作，上頌高號。爰念休烈，
戎臣奮威，遂興師旅，大逆滅息。
武殄暴強，文復無罪，庶心咸服。
惠論功勞，恩肥土域，賞及牛馬。
墮壞城郭，決通川防，夷去險阻。
地勢既定，黔首無繇，天下咸撫。
男樂其疇，女修其業，事各有序。
惠被諸產，久並來田，莫不安所。
群臣誦略，請刻此石，垂箸儀矩。
始皇帝在碣石行宮之中住了一個多月，沒有等到術士們帶長生不老藥回來，便從上郡回到咸陽。臨行之前，命郡守務必等到盧生回來，拿到長生不老藥後立刻送到咸陽。
且說燕人盧生得到始皇帝的賞賜之後，帶了一干人入海四處尋找神山，眼見所帶糧食都吃完了也沒見到神山的影子，不得已駕船返航。
回來之後，他听說郡守一直在等自己，知道這件事沒有個交待是混不過去了。于是遣散了隨從，孤身一人來到代郡，說已經見過仙人，郡守不敢怠慢，迅速派人將其護送到咸陽。
始皇帝听聞盧生來到咸陽，趕緊停止批閱奏折，將他招入書房，問道︰「先生可曾找到仙人了？」
「我在海上行駛了十多天，終于找到神山，神山上的仙人識得我，便讓我單獨登上神山，其他人都只能在遠處看著。」
「仙人可曾給說過什麼？」
「仙人這次什麼都沒說，只交給我一個卷軸，便讓一個鯉魚幻化的童子將我送下神山，分別時童子囑托我一定要將卷軸交給陛下。」
始皇帝听聞仙人願意與自己交流，又驚又喜，問道︰「是何卷軸？速取來觀瞻。」
于是盧生將準備好的黃邊黑底卷軸交給始皇帝，始皇帝因多次遇刺，不敢接手，乃命太監將其展開，只見上面寫著四個字︰「滅秦者胡」。
始皇帝大驚，道︰「朕這幾年無時無刻不在想著攻擊胡人，奪回河南之地，想不到他們竟然膽大包天，要滅我大秦！是可忍孰不可忍！」
盧生道︰「仙人是在提醒陛下，胡人是我大秦心月復之患，不除之則有亡國之憂。」盧生一直生活在燕地，知道在與匈奴接壤的地區，時常受到匈奴騎兵的劫掠，北地之民每每不得安寧，因此盧生寫下此話，希望始皇帝出擊匈奴，不再糾纏自己。
始皇帝道︰「此次巡游北地，見邊防已經大為改善，看來是時候出擊匈奴了，不除之，朕心難安啊！」
于是始皇帝決定先發制人，北逐匈奴。他下詔命蒙恬回咸陽，商量攻擊匈奴的對策。
蒙恬長期駐守長城一線，為對付匈奴，親自到各地考察，對北地的山川地形都非常了解。而且多次與匈奴騎兵交鋒，熟知匈奴騎兵的戰術，是出擊匈奴的不二人選。
始皇帝听說蒙恬回來後非常高興，命蒙毅與蒙恬一起進宮覲見。
始皇帝道︰「我大秦多年來能夠平安無事，多虧了你們兄弟！蒙毅為內史，朕出巡不在咸陽，都靠你在咸陽調度；蒙恬為將軍，長期駐守北地，使我大秦月復地不受匈奴之禍，勞苦功高啊！」
蒙恬道︰「陛下謬贊了！能為陛下分憂是我兄弟的福氣！說到防備匈奴，臣以為如今雖然依靠長城阻止了匈奴騎兵的騷擾，但是單純靠防守依然被動，無法解決根本問題！」
始皇帝道︰「此番招卿回來就是要商量此事！朕已經決定北伐匈奴，卿以為如何？」
蒙恬道︰「陛下聖明！匈奴人彪悍異常，實為我心月復大患。他們兒童即能騎羊，拉弓射擊鳥和鼠，稍微長大就能射擊狐兔，用作食物。成年男子都能拉開弓，全都披掛鎧甲，騎著戰馬。匈奴的風俗，平常無戰事時，則隨意游牧，以射獵飛禽走獸為職業；形勢緊急時，則人人練習攻戰本領，以便侵襲掠奪，這是他們的天性。不除之，大秦不安啊！」
始皇帝問道︰「現在出擊匈奴勝算幾何？」
蒙毅答道︰「現在出擊有兩大優勢是從前不具備的︰其一，咸陽通往太原的馳道已經修好，我軍兵員補充迅速，可以支持長期作戰；
其二，大秦統一天下後，風調雨順，各地糧倉堆滿了糧食，從秦國月復地向邊境運送糧草也不過半個月的時間，後勤可以得到有效保障。勝算有六成！」
蒙恬接著道︰「臣以為還要加上一條，就是萬里長城的阻擋分割作用。匈奴騎兵的優勢就在于調動迅速，戰場上應變能力極快，而且各個騎射能力都非常強。如今，長城不僅可以作為我軍的倚靠，成為出擊匈奴的據點，還可以有效的分割抵擋匈奴騎兵的進攻，減緩他們的行軍速度！因此勝算可再加兩成，八成！」
始皇帝听完非常高興，道︰「如今天時地利人和都具備，是時候出擊了！」
蒙恬道︰「匈奴騎兵來去無蹤，臣恐難以畢其功于一役，屆時需要地方官員的配合，請陛下賜予臣對北地官員的任命權！」
始皇帝道︰「準卿所請！北地郡、代郡、九原郡、隴西郡、漁陽郡、太原郡、上郡各地官員均可由卿任免，授予先斬後奏之權！」
于是始皇帝派將軍蒙恬發兵三十萬人，向北進攻匈奴，王離為副將，蒙毅負責糧草軍需供應。
大軍出發之前，進攻匈奴的消息嚴格保密，因此匈奴對于秦軍的進攻完全沒有防備。
位于上郡的中軍大帳中，蒙恬看著地圖，對副將王離道︰「匈奴佔領的地區廣大，我打算分兩個階段驅逐匈奴，第一階以上郡、太原郡為依靠段將河南地區的匈奴肅清，第二階段再以長城為依靠，被逐匈奴！」
王離道︰「蒙將軍所言甚是，匈奴狡猾，我軍不宜深入，當步步為營，讓他們無機可乘！」
蒙恬接著分析道︰「匈奴人逐水草而生，如今正值夏秋之交，他們忙于放牧，不宜集結，我們應當快速出擊，盡量全殲，避免他們北逃，留下禍患！」
王離道︰「河南地區如同插入我大秦的一個楔子，由南往北打，雖然把握較大，但匈奴人會節節抵抗，最終退回北方大漠……」
蒙恬打斷道︰「所以，我們要南北夾擊，一部從上郡，經榆林進入河南北部，截斷他們的退路，另一部由義渠蕭關進入河南南部，自南往北進逼，如此南北夾擊，使之首尾不能相顧！匈奴必敗！」
王離道︰「蒙將軍深謀遠慮，末將願帶一部分軍隊出義渠蕭關！」
于是蒙恬領十萬軍自上郡出發，經榆林進入河南北部，王離領十萬軍由義渠蕭關之道進入河南南部，兩軍都是快速行進，所到之處，不斷攻擊散落的匈奴部落。隴西、北地的秦軍也配合夾擊匈奴。
匈奴由于沒有提前得到消息，沒有任何準備，加之河南之地的匈奴軍本就力量薄弱，僅五萬余人，面對數倍于己的秦軍，倉促之間無法組織起有效的抵抗，河南之地的匈奴軍節節敗退。
頭曼單于得知消息後大為震驚，對左右說道︰「從來都是只有我們匈奴欺負中原人的份，現在這蒙恬小兒竟敢欺負到爺爺的頭上！傳我命令，大軍立刻集合，三日後隨我出擊秦軍！」
三天後，匈奴集合十萬大軍進攻榆林。
榆林位于匈奴陰山老巢與河南之地的交界地帶，是秦軍防守的重點區域。蒙恬知道一旦開戰，此處必然會最先受到攻擊，因此在修建長城之初就將此處列為重點地域，這里的長城不僅城牆高大厚實，而且派十萬重兵把守。
匈奴騎兵來到榆林，高大的城牆阻擋住了去路，匈奴軍一旦接近城牆，秦軍便箭如雨下，匈奴騎兵無法前進半步。數萬匈奴騎兵被阻擋于榆林一線無法求援。
秦軍抓住時機對河南之地的匈奴軍展開殲滅戰。匈奴軍此時東西兩面被長城阻擋，南面有王離的精銳秦軍追擊，不得已一路往北撤退，一直退到榆林。此時榆林之地的秦軍經受了南北兩個方向匈奴軍的進攻，戰況異常慘烈。
蒙恬派馮毋擇把守榆林，命令他一定要駐守高地，嚴禁士卒私自出戰。馮毋擇依靠高大的城牆抵御匈奴騎兵，頭曼單于缺少攻城器械，又受阻于長城圍牆，無法實施遠程奔襲突破，苦戰一個月，秦軍仍然牢牢的控制著榆林之地。
到本年初冬，秦軍已經將河南地區的匈奴部落全部掃蕩肅清，小部分匈奴殘部向西北方向渡河而逃。頭曼單于無可奈何，只得引軍退去。
蒙恬與王離兩軍匯合後，駐扎于黃河南岸，以待來年春季的戰斗。
蒙恬知道，順利攻取河南之地完全是因為計劃周詳，出擊迅猛，加之匈奴主力不在河南之地。匈奴單于必不會甘心放棄河南之地，一定還會再度來犯，于是蒙恬決定先發制人，北出長城，攻擊匈奴。
始皇帝三十三年初春，蒙恬將原來防守河南之地的秦軍調到黃河一線防備匈奴，親自率秦軍主力二十萬由九原渡過黃河，攻擊高闕與陶山。
其後不久，副將王離率十萬秦軍西渡黃河進入賀蘭山脈，直搗匈奴老巢。王離率領的這支秦軍作為偏師，僅在夜間行軍，隱蔽性非常好，希望能夠達到出其不意的效果。
且說頭曼單于退回陰山之後，異常惱怒，認為秦軍不過是仰仗長城才取得勝利，如果野戰並非是他的對手。于是下令重新集結十五萬軍隊來年進攻蒙恬，報仇雪恥！
頭曼單于的太子冒頓得知此事後，覲見道︰「父王請暫且息怒，秦軍現在統一了中原，先後滅掉六國，我听說蒙恬又善于帶兵，秦軍兵鋒正盛，現在直接對抗，恐怕難以抵擋！不如暫時退卻，待秦軍驕縱之時，我們再以騎兵出其不意，必大破之！」
頭曼單于哈哈一笑，道︰「我兒為何如此膽小？我匈奴人是天之驕子，自幼在馬背上長大，怕過誰？」于是並不听從冒頓的勸告。
來年春天匈奴頭曼單于集結起十五萬兵力，準備南下攻秦。恰在此時，匈奴探馬來報，稱道秦軍來犯！頭曼單于大驚。問道︰「確定是秦軍嗎？有多少人馬？」
「肯定是秦軍，但並不清楚有多少人馬？看陣勢至少有十萬之眾！」
頭曼單于是否生氣，怒道︰「再探！此次一定要查清楚有多少秦軍，看不清楚就不要再回來見我！」
探子趕緊拜謝，起身飛奔出大帳，上馬疾馳而去。
頭曼單于沒有料到秦軍竟敢主動出擊到塞北！非常震驚。此前，秦軍也曾出擊塞北，但是每次匈奴軍都會長途奔襲，繞到秦軍背後，斷其糧道，秦軍數次都是無功而返。幾次之後，秦軍便不曾再出擊塞北，不料這次蒙恬竟敢故技重演！
頭曼單于心中竊喜，心道秦軍躲在城牆之中，我無可奈何，如今你竟然自己跑出來，就不要怪我不客氣了！于是親自率領集結起來的匈奴騎兵，出陰山，準備與秦軍誓死一戰！
蒙恬帶領秦軍出九原之後，進逼迅速，一路往西北進攻，在高闕、陽山、北假等地與匈奴準備南下的主力相遇。匈奴軍見到秦軍後，很快就進行瘋狂的進攻，蒙恬在正面布置重裝步兵，其後為弓弩手，騎兵置于兩翼。
匈奴軍沖鋒時，其弓箭射程三百步，而秦軍的強弩經過改裝，射程可達到四百步，因此匈奴軍往往還未接觸秦軍就死傷慘重。
秦軍五戰五捷，很快殺入陰山和賀蘭山高地。頭曼單于意識到秦軍裝備先進，人數又佔優勢，與之正面對抗，自己絲毫佔不到便宜。于是派太子冒頓率領三萬人馬，企圖繞過秦軍正面，攻擊其後方的補給線，如果糧道被切斷，則秦軍不戰自潰。
冒頓領命之後，派出大量探馬，不久冒頓就發現，蒙恬此次率領的秦軍是沿著長城一線自東南向西北進攻的，步步為營，其補給線非常之短，不管秦軍大軍走到哪里，都可以從長城一線得到快速的給養補充，因此才能時刻保持強盛的戰斗力。
但冒頓即已領命，不得不率部進攻長城沿線的秦軍，以求突破其防線，切斷秦軍糧草。
然而匈奴軍剛一出擊，就遭到了駐守在那里的秦軍的迎頭痛擊。原來蒙恬早就料到匈奴肯定會故伎重演，侵犯秦軍糧道，因此特別在長城沿線布置了大量軍隊，依靠長城阻擊匈奴騎兵。
冒頓幾次進攻之後，見無法突破，不得不率部轉移到陰山之地。
恰在此時，王離率領的十萬秦軍也已經到達陰山，正準備從後方對匈奴發起突然襲擊，配合正面進攻的蒙恬軍，徹底消滅匈奴主力。
冒頓探馬無意之中發現了王離率領的秦軍，迅速回報冒頓，冒頓大驚，連忙派人去稟報頭曼單于，而自己率領三萬余眾，展開陣勢阻擊王離軍。冒頓清楚憑借自己手中的三萬人馬，是無法與秦軍正面沖突的，此時他只能設計穩住局勢，等待大軍到來。于是他命令軍中展開所有旗幟帳篷，擺出匈奴軍主力的架勢，恐嚇秦軍。
王離此時也發現了冒頓的匈奴軍，但是他不清楚是否面對的是匈奴主力，由于自己手中多是步兵，雖然有十萬之眾，但也不敢貿然出擊，遂下令擺開陣勢，開始與冒頓軍對峙。
頭曼單于得到秦軍已經進入陰山的消息，大驚失色。此時，匈奴軍前後都有大股秦軍，南面又有長城阻隔，無法突破，頭曼單于分析形勢後下令全線往北撤退。
冒頓接到命令後，命匈奴軍連夜逃往漠北，駐地所有的旗幟帳篷一概不準動，僅留下幾個老弱之兵每到飯點就生起煙火，迷惑秦軍。
數日之後，王離派小股秦軍試探，才發現匈奴大軍早已逃走。遂帶軍與蒙恬軍合兵與陰山之下。
秦軍連戰連捷，給予了匈奴巨大的打擊。頭曼單于被迫退出了陰山和賀蘭山高地，北撤七百余里，退到陰山以北的漠南一帶游牧。
始皇帝聞此大喜，重賞了出擊匈奴的將士。
蒙恬回咸陽謝恩，始皇帝高興的問道︰「愛卿想要什麼賞賜，朕都答應你！」
蒙恬道︰「陛下，此刻匈奴雖然暫時撤出了陰山和賀蘭山，但此役未能實現全殲其主力的目的，臣別無所求，願繼續駐守北地，保大秦安寧！」
始皇帝非常感動，道︰「愛卿如此不辭勞苦，是國家之福啊！依卿之見，此時我們該如何進一步防備匈奴？」
「此番攻擊匈奴大獲全勝，修築長城之功當排在首位。若無長城，以我秦軍區區兵力，進不敢攻，退不足守，匈奴可發揮騎兵優勢繞到我軍後方。如今我軍已推進至黃河南岸，河南之地的長城已經失去作用，須在河南一線重新修築長城！」
「愛卿言之有理！以牆防騎必須成為一項長期實行的政策！」
此後，蒙恬繼續率領三十萬大軍駐扎北邊，威懾匈奴。秦始皇在河南地設置了九原郡，置三十四縣，並下令重新修築這段長城，把過去秦、趙、燕三國的長城連接起來，修築成一條從臨洮一直到遼東碣石的長城。
為開發河南地，始皇帝不久之後又下令遷三萬多戶居民到北河、榆林，墾田生產，開拓邊疆。有了長城的保護，匈奴人不敢再南下牧馬，移民可以在此安居，這不僅促進了河南地的開發，還使得這里成為了抗擊匈奴的後方基地。