始皇帝二十年（前227年），秦王政派大将王翦、辛胜攻燕国。燕、代两国发兵抵抗，被秦军败于易水以西。次年，秦军攻下燕都蓟城。燕王喜迁都到辽东。秦将李信带兵追击，燕王喜听从代王嘉的计策，杀太子丹，把太子丹的首级献给秦求和。
始皇帝二十一年（前226年），韩国都城发生叛乱，秦国出兵平定韩的叛乱，乘机处死韩王安。
始皇帝二十二年（前225年），秦王政派将军王贲攻魏，包围了魏都大梁（开封市），引黄河水灌城，三个月大梁城坏，魏王出降，魏国灭亡。秦王政就在魏的东部地区建立砀郡。同年，秦王政派李信、蒙恬带20万大军攻楚。李信攻楚的平舆（平舆县北），蒙恬攻楚的寝（安徽临泉县），取得初步胜利。秦楚两军在城父邑（今安徽省亳州东南城父集）相遇，楚军趁秦军不备发起反攻，大败秦军。后秦王政派王翦和蒙武带60万大军出征，大破楚军于蕲（今安徽宿州东南），迫使楚将项燕自杀。接着秦军攻入楚都寿春，俘虏了楚王负刍。秦于楚地设九江郡（安徽寿县）、长沙郡（湖南长沙市）。
始皇帝二十五年（前222年），王翦平定了楚的江南地，降服了越国之君，设置会稽郡，楚国灭亡。秦王政在灭楚的同时，不断地向东扩展，陆续设郡，并攻取鲁地，设置薛郡（山东曲阜）。同年，秦王政派王贲攻燕的辽东，虏燕王喜，灭亡燕国。接着又回师攻代，虏代王嘉，建立代郡（河北蔚县西南）和辽东郡（辽宁省辽阳市老城区）。
始皇帝二十六年（前221年），秦将王贲从燕国南下攻齐，俘虏齐王建，灭了齐国，在齐旧地建立了齐郡（山东淄博市东北）和琅邪郡（山东胶南县西南夏河城）。
秦国从始皇帝十七年（前230年）起，到灭齐时止，耗时10年陆续兼并了六国，继而于始皇帝二十八年（前219年）开始平定南方百越。从此，秦王政完成统一大业，进入了帝国时代。
秦王政二十六年（前221年），秦王政灭六国后，认为自己“德兼三皇，功过五帝”，遂采用三皇之“皇”、五帝之“帝”构成“皇帝”的称号，是中国历史上第一个使用“皇帝”称号的君主，所以自称“始皇帝”。同时在中央实行三公九卿，管理国，乃称皇帝。他还继续执行孝公变法以来商鞅的法家政策，加强君主专制，削弱旧贵族势力，提拔由军功而上升起来的贵族。此外，他还信奉阴阳家所提出的“五德终始”说，认为秦是水德，周是火德，水能克火，因此秦得天下，故以十月为岁首。
秦始皇废除分封制以后，建立了一套自中央到地方的郡县制和官僚制。初分全国为36郡，以后随着土地的扩大增至46郡，定咸阳（陕西咸阳市秦都区）为首都。中央政府最高的官僚是丞相、御史大夫和太尉，亦称“三公”。地方郡的长官为守，县的长官为令。郡县制初步打破了血缘关系的宗法制，封建制、官僚制则代替了贵族的世袭制。
为了巩固政权，秦始皇还实行了一系列的政策，主要是：统一货币和度量衡；统一文字；修筑长城、驰道和秦直道；强迫迁徙六国富民和平民。秦统一六国以后，为了防止六国贵族依持宗族“死灰复燃”，强迫他们迁徒到咸阳，要他们看护皇陵，或者迁徙于西南边远地区，一些平民也同时被迫迁徙，叫做“迁虏”，做开矿、开盐井等苦役。始皇帝三十二年（前215年），秦将蒙恬夺河南地，设置34县，建立九原郡（治所在内蒙古包头市西北）。
从齐燕来的儒生方士们把儒家的“封禅”也作了改头换面的修改了一遍，盛传自古帝王莫不举行封禅典礼。始皇帝二十七年（前219年）至始皇帝三十二年（前215年），秦始皇连续到东方沿海，江淮流域以及北边等地巡游，所到之处，无不刻石颂其功德。
到了统治后期，秦始皇迷恋长生不死之术，笃信命数。又说海上有蓬莱、方丈、瀛洲三岛，是神仙居住的地方，有“不死之药”，服后便可“长生不老”。秦始皇想成为“长生不老”的神仙。有些怪迂苟合之徒，如卢生、韩终、徐福、侯生，都投奔秦朝。
卢生劝说秦始皇道：“我们寻找灵芝、奇药和仙人一直找不到，一定是有什么东西与它们相克。我们建议您要不时秘密出行，来驱逐恶鬼。恶鬼避开了，神仙真人才会来到。您居住的地方如果让臣子们知道，就会妨碍与神仙交往，希望您所住的宫室不要让别人知道。这样，不死之药或许能够得到。”
秦始皇就对外宣称说：“我慕神仙真人，我自己就叫‘真人’，不再称‘朕’了。”
他还下令咸阳附近二百里内的二百七十座宫观都用天桥、甬道相互连接起来，把帷帐、钟鼓和美人都安置在里边，全部按照所登记的位置不得移动。皇帝所到的地方，如果有人说出去，就判死罪。
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