之罘。见到一条巨鱼，就命人射杀。随后沿海西行，到达平原津时病倒了。
秦始皇最忌讳谈论死亡，群臣也无人敢提后事。病情加重后，他命令中车府令赵高写信给扶苏，说：“回咸阳参加葬礼并安葬。”信已封好，放在赵高处，但未交给使者。七月丙寅日，秦始皇在沙丘平台去世。丞相李斯因皇帝死在外地，担心诸公子和天下发生变故，便秘不发丧，将棺材放在辒凉车中，由亲近的宦官陪乘。每到一地，照常进献食物，百官奏事，宦官在车中批复。只有胡亥、赵高和五六个亲近宦官知道真相。
起初，秦始皇尊宠蒙氏兄弟，很信任他们。蒙恬在外领兵，蒙毅常在朝中参与决策，以忠诚着称，即使其他将相也不敢与他们争权。赵高生来是宦官，秦始皇听说他能力强，精通法律，便提拔他为中车府令，让他教胡亥断案，胡亥很宠信他。赵高曾经犯了法，秦始皇就派蒙毅审理；蒙毅依法判处赵高死刑。秦始皇因为赵高办事机敏，就赦免了他的死罪，恢复了他的官职。赵高既得了胡亥的宠信，又怨恨蒙氏，便劝胡亥假传秦始皇遗诏，诛杀扶苏，立胡亥为太子。胡亥同意了。赵高说：“这事不与丞相商量，恐怕难以办成。”于是去见李斯，说：“皇帝赐给扶苏的信和符玺都在胡亥手中。立谁为太子，全凭您和我一句话。您看怎么办？”李斯说：“这是亡国之言呐！不是我们臣子该议论的！”赵高说：“您的才能、谋略、功劳、人缘以及与扶苏的关系，这五点哪一点比得上蒙恬？”李斯说：“都比不上啊。”赵高说：“那么扶苏即位后，必定用蒙恬为丞相，您最终无法保住通侯的爵位就回乡了！胡亥仁慈宽厚，可以立为太子。请您慎重考虑考虑！”李斯被说服，便与赵高合谋，假传秦始皇遗诏，立胡亥为太子。又伪造诏书赐扶苏死，指责他未能开疆拓土、损耗士兵，多次上书诽谤朝廷，日夜怨望不得回朝为太子，蒙恬未能纠正，知情不报，二人皆赐死，兵权交给副将王离。李斯的这一决定，为自己以后祸患留下了根，真的是一失足成千古恨。
扶苏接到信后，哭泣着进入内室，准备自杀。蒙恬说到：“陛下在外，未立太子；派我率三十万大军戍边，您为监军，这是天下的重任。如今一个使者来，您就自杀，怎知这不是阴谋？请再请示一次，然后再死也不迟。”使者多次催促。扶苏对蒙恬说：“父亲赐儿子死，何必再请示！”随即自杀。蒙恬不肯死，使者将他交给官吏，关押在阳周。李斯派舍人担任护军，回报胡亥。胡亥得知扶苏已死，便想释放蒙恬。恰逢蒙毅为秦始皇祈祷山川归来，赵高对胡亥说：“先帝早就想立您为太子，但蒙毅劝阻，不如杀了他！”于是将蒙毅关押在代地。随后从井陉抵达九原。正值暑热，辒凉车发出臭味，便下令随从官员在车上装一石鲍鱼以掩盖气味。从直道回到咸阳，这个时候才发丧。太子胡亥继位，是为秦二世。
九月份，秦始皇被安葬在骊山，墓室深达三泉；奇珍异宝充满其中。命令工匠制作机关弩箭，有人靠近就会自动发射。用水银模拟江河大海，机关使其流动。墓室顶部绘有天文图，底部绘有地理图。后宫无子的妃嫔全部殉葬。下葬后，有人说工匠知道墓中机关，可能会泄露秘密。于是大事完毕后，将工匠全部关在墓中。
秦二世想诛杀蒙恬兄弟。二世的侄子子婴劝谏说：“赵王迁杀李牧而用颜聚，齐王建杀忠臣而用后胜，最终都亡国了。蒙氏是秦国的重臣谋士，陛下却想一下子抛弃他们。诛杀忠臣而任用无德之人，会使群臣失去信任，将士离心。”但二世不听呀，最终还是杀了蒙毅和蒙恬。蒙恬说：“从我的祖先到子孙，三代为秦国立下功勋。如今我统领三十万大军，虽被囚禁，但仍有能力反叛。然而我宁死也不背叛秦国，是因为不敢辱没先人的教诲，不忘先帝的恩德。”于是服毒自杀。
扬雄在《法言》中评论说：有人问：“蒙恬忠诚却被杀，忠诚有什么用？”回答说：“开山填谷，从临洮到辽水，力量不足而尸骨有余，忠诚不足以辅佐君主。”
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司马光评论说：秦始皇荼毒天下，而蒙恬为他效力，蒙恬的不仁可见一斑。然而蒙恬明白为人臣的道义，虽无罪被杀，却能守死不贰，这也值得称道。
公元前209年，冬季十月，戊寅日，朝廷大赦天下。春季，秦二世东巡郡县，李斯随行；到达了碣石，沿海向南到了会稽；并在秦始皇所立的石碑旁刻上随行大臣的名字，以彰显先帝的功业和盛德，然后返回咸阳。
夏季四月，秦二世回到咸阳，对赵高说：“人生在世，就像六匹骏马飞驰过缝隙一样短暂。我已经统治天下，想要尽情享受耳目之乐，满足心志之欲，直到寿终正寝，可以吗？”赵高说：“这是贤明君主才能做到的，而昏乱君主则不能。不过，现在还有些问题。我请求说明：沙丘之谋，诸公子和大臣们都心存疑虑；诸公子都是陛下的兄长，大臣们又是先帝任命的。如今陛下刚刚即位，这些人心中不服，恐怕会生变。我战战兢兢，唯恐不能善终，陛下怎能尽情享乐呢？”二世问道：“那该怎么办？”赵高回答说：“陛下应实行严刑峻法，