与此同时，在广漠无垠的北部边疆，蒙恬正在酝酿着一场大规模反击匈奴的战争。他在多半年的时间里，做了很多的准备：让军士们整天吃饱喝足后，就比武射箭。秦军用的一种足弩射程非常远，让军士每天练习。又暗中派人扮成百姓，打入到匈奴内部，帮助他们运送粮草，察看地形，就是不发动进攻。头曼单于多次向蒙恬挑战，蒙恬拒不出战。头曼就认为是秦军胆怯。时间长了，他们就逐渐放松了警惕，可是蒙恬对敌人的一切都已经了如指掌。有一天，蒙恬忽然宴请将士，高举酒杯，豪情满怀地道：“将士们，我们击败匈奴就在今日！你们愿意为国立功吗？”将士们一听要打仗了，个个高兴得摩拳擦掌，都想和匈奴一决雌雄。蒙恬非常高兴，就对王离下令道：“王将军，你即刻率领五万精骑，星夜赶到大河渡，先烧毁匈奴人的渡船，截断头曼的归路，我随后尽起大军去攻长城，杀向匈奴的大营。头曼一定不会想到我们要进攻他们，这一仗必然要吃败仗。他们战败后，一定会向大河渡溃败，到时你我就将敌人围堵在大河边上全部歼灭。”王离听了蒙恬的用兵方略，慨然接受了命令，连夜率兵前往。
头曼在长城以北的大营中，每天派人探听秦军的消息。这些天来，突然得到报告，说秦军大营的旗帜减少了。头曼高兴地说：“这是蒙恬把秦军调往别处了，看来他们不会向我们进攻的。”这天夜里，头曼正在睡觉，忽然有人进来报告：“大王，不好了，后营起火啦！”头曼大怒，问何处起火。军士回答：“起火处正是囤粮所在。”头曼气冲冲地前来察看，只见几十处粮仓全都起火，并且火势越来越往。头曼见此，狂怒地大叫：“这是怎么回事？”有人报告：“这一定是有人故意放的火啊！”头曼吼道：“你们快去救火！寡人要把看守的人立即斩首！”话音刚落，只听见头顶上有‘嗖嗖’的声音传来，大家抬头一看，只见天空里的火箭如同烟花一般一齐射来。只瞬间工夫，整个营地上就全部起火。头曼大惊失色，急忙率领大小将士登城察看。这一看不要紧，竟然吓得头曼如同中风一般，原来秦军在数里长的战线上举起火把，铺天盖地般的杀了过来，喊杀声惊天动地。头曼终于明白了：这是秦军发起了全面进攻。于是仓皇应战。
秦军杀到长城下，竖起云梯猛攻长城，后方射来的箭像雨点一样密集，那些没有烧死的匈奴兵急忙登城应战，一部分人已经惊慌逃窜。双方大杀一夜，秦军就攻上了城头，匈奴兵纷纷败退。头曼单于和左右大将无法控制局面，只好随着人流退却。原来匈奴人作战，只图眼前的利益，如无利可图，就各自逃命，互不救援，因此全线溃败了。二、三十万军队烧死踏死者不计其数，蒙恬夷平了匈奴大营，紧接着率兵追杀。
头曼果然向黄河渡奔去，他一路败逃，陆续接纳败兵，尚有十万人马。一日黄昏，匈奴兵来到黄河边上，发现渡船已经被烧毁，大叫道：“寡人经营各部数十年，驰骋大漠，从未败北，不想今日被南蛮打败。我听兵法上有‘置之死地而后生’的话，现在我十万大军若是拼死一战，胜负尚未可知啊！”言未毕，一声鼓响，迎面杀声震地，战马萧萧，冲出无数甲士，将头曼的大军团团围住。迎面有一面大旗迎风招展，上书一个大大的‘王’字，正是王离的军马。这时后面的军士也飞马来报：“大王，不好了，蒙恬从后面杀到！”头曼单于大惊失色，愤怒地大叫：“蒙恬如此狡诈，他先断寡人的归路，又来追杀，真是卑鄙无耻，我们与他拼了！杀！”双方的将士就在黄河边上展开了激战。蒙恬和王离会合后，蒙恬下令将西北向的秦军撤围。王离不解，就想合围起来活追头曼。蒙恬道：“穷寇勿迫，网开一面。”王离疑惑道：“头曼无处可逃，一定能活捉。”蒙恬道：“他们人马尚众，若是逼急，就会拼命，胜负尚未可知。若是不急于剿灭，留他一条生路，就一定不会拼出死力战斗。”王离佩服其高论。
匈奴兵被三倍的秦军前后夹击，双方一场血战。头曼单于正在指挥战斗，果然有人来报，说西北角上没有秦军。头曼就率领众将向西北突围。蒙恬见头曼果然只想逃命，就率领秦军奋力追杀。这一追，只杀得匈奴尸横遍野，血流成河，黄河之水都染成了红色。头曼在众将领的保护下，终于逃离了战场。这场战斗果然像蒙恬预料的那样，匈奴人没有拼死一决，秦军才能大获全胜，还缴获了无数的战利品。
头曼率领残兵败将，向西逃了一夜，见秦军没有追来，才放下心来。天亮时，他们来到大河边，身后只剩下几千人了，并且都受了伤。头曼沿河寻找船只，见浩浩大河，无船可渡，只好望河大恸，突然拔出佩剑就要抹脖子，左右急忙扯住道：“南蛮不来追赶，这是老天爷不让我们死啊！大王若派水手渡过河去，把战败的消息告诉族人，族人就一定划船来救，我们还死不掉啊！”头曼道：“寡人战败，无颜再见父老，又怎敢烦劳他们？”将军们都道：“胜负是兵家常事，更何况大王与嬴政都是天生圣人，今后卷土重来尚未可知，您怎能失掉斗志？”头曼这才转忧为喜，于是赶紧派水手过河。
接下来的几天，蒙恬驱逐匈奴残部，摧毁据点。王离也尾随匈奴败兵追赶，一日来到黄河边上，已是人困马乏。他们也不知道头曼到了那里，正在查寻下落，忽然军探来报，说头曼正在前方不远处渡河。王离大惊，问匈奴怎样渡河。军探道：“河北有人前来救应，他们准备了数十条大船来回摆渡。”王离急忙率军来到河边，果见匈奴正在渡河，就急率大队冲了上去。头曼在南岸见秦军骤至，就赶紧登船离去，剩余的军士全部淹死在水中。单于爬上岸后，族人拜呼万岁。头曼遥指对岸道：“此仇不报，死不瞑目啊！”大家就簇拥头曼向云中的头曼城奔去。王离见头曼单于逃走了，懊悔莫及，只好来向蒙恬报告。这样黄河以南的土地就全部归到秦国的版图之内了。
秦始皇接到喜报，嘉奖将士，又令蒙恬渡过黄河继续攻取土地。蒙恬不负重望，率领大军过了黄河，又攻占了高阙、北假、阴山等地，还修建了烽火台。头曼听说秦军过了黄河，害怕又来攻城，于是弃了头曼城，向北退却。蒙恬就在那里设置了云中郡和九原郡，又新增了三十四个县。
蒙恬见到处都是大漠荒原，无险可守，就向皇帝上书，要修建长城。秦始皇道：“秦昭襄王灭了义渠，在陇西、北地、上郡修建长城来抗拒胡人。赵武灵王北破林胡、楼烦，从代地直到阴山下修建了长城，还设了高阙关防御匈奴，因此云中、雁门和代郡都安全了。燕国也从造阳到襄平郡修建长城，因此上谷、渔阳、右北平、辽西、辽东各郡也都不怕匈奴人入侵。匈奴人迁徙游走的习性是不会改变的，朕想把以前秦、赵、燕三国的长城连接起来，名曰‘万里长城’，它将是一条横亘北方，阻挡胡人南进的军事屏障，你们认为如何？”李斯道：“陛下，万不可行啊！”秦始皇问为何。李斯道：“以前秦国在陇西、北地、上郡修建长城时，耗费了大量的的人力物力，历时三年才完成。现在陛下要把长城全部连接起来，从陇西到辽东，长达万余里。况且所经之地，高山峡谷很多，如此崎岖之地，何时才能建成？这将是一场劳民伤财的举措，请陛下三思！”秦始皇笑道：“以前修长城，因为人力不足，现在天下统一了，人皆为大秦所用，何愁建不成呢？只要大家分段包干，没有办不成的事情。况且长城因山就势，并非全部筑城，一旦筑成此军事屏障，胡人安敢南下来牧马？”群臣齐呼万岁。
随后，秦始皇又下令向北方移民，共同垦荒戍边。从此，秦国的军民建县的建县，修路的修路，筑城的筑城。秦始皇还整顿全国的官吏，把贪官污吏和不称职的官员全部充军，家在北方的去修长城，家在南方的去开发岭南，共同建设国家。在南方设立了南郡、象郡和桂林郡，又在岭南地区进行大规模的交通建设。