秦始皇在位期間還擴大了國家的疆土，疆域異常遼闊，北至河套和陰山，南至南越（即古時日南郡，今越南中部），西至隴西臨洮，東則延伸到了遼東及朝鮮。

北伐匈奴

匈奴人盤踞的河套地區，秦代時被稱為“河南地”

正當戰國七雄相互攻伐的時候，北方草原的匈奴、東胡及月氏亦相互牽制，未能全力南下干涉中原局勢，直到秦始皇統一六國後，居住在中國北方與西北草原的遊牧民族，隨即成為新生秦帝國的最大敵人。

公元前215年（秦始皇32年），燕國人盧生向秦始皇獻上一本名為《錄圖書》的預言書，上面寫著“亡秦者胡”。根據這個“預言”，秦始皇認為最終滅亡大秦帝國的，是北方的胡人。當時北方草原的胡人當中，月氏和東胡都比匈奴強大，但因匈奴人的聚居之地是河套地區，對定都咸陽的秦帝國來說是最大的威脅，因此秦始皇決定遣兵征伐匈奴。

不過李斯卻指出，匈奴人逐水草而居，居無定所，也從來不儲蓄糧食，極難征服。如果派兵輕裝前進，容易導致軍糧斷絕而全軍覆沒；如果攜帶大量糧食進軍，物資沉重難運，也是無濟於事。對秦國而言，即使得到匈奴的土地也無利可圖，只會令中原百姓疲憊。遇到匈奴百姓，亦因擔心他們的忠誠而不敢役使他們。如果殺掉全部匈奴百姓，這又與君父自許的“君王”作為相悖，表明反對征伐匈奴。

秦始皇沒有接納李斯的意見，他下令將領蒙恬率兵三十萬人，沿著今日蘭州市至鄂爾多斯市一段的黃河，北伐匈奴，企圖奪取黃河河套以南之地。次年蒙恬攻佔河套以南地區，從榆中（今甘肅省蘭州市）沿黃河往東一直連線到陰山，劃分成四十四個縣，並設定九原郡，沿著黃河修築長城，於險阻設定要塞。

其後，秦始皇又遣蒙恬渡過黃河去奪取高闕、陽山（即陰山）、北部一帶地方，築起堡壘，逐次向北推進勢力。當時的匈奴單于頭曼被迫北遷，秦軍在外奔波達十餘年，並屯駐在上郡一地，蒙恬之名威震匈奴。

據考證，秦軍迅速取勝的最大原因，就是普遍使用弩弓作遠端武器。持弩的秦騎兵射擊的準確度是匈奴人的弓無法比擬的，匈奴人的皮甲也抵擋不住弩箭強大的穿透力。對馬背上的匈奴騎手而言，弩是最致命的武器。中國著名的兵書經典《武經七書》指出，弩是對付古代遊牧民族的最有效武器。由於弩的結構過於複雜，對匈奴人來說，他們很難裝配或仿製。

為了充實河套以南新設郡縣的人口，秦始皇下令將罪犯遷移至新郡縣，當地被稱為“新秦”。當年（秦始皇33年下半年）在西方出現彗星，為不吉之兆，故此秦始皇再下令貶謫執法不公的獄吏往新闢之地，以修築長城及戌守南越地區。

據主父偃在《諌伐匈奴書》所言，蒙恬所戍之地地勢低窪，而且是無法種植五穀的鹽鹼地，實在未能供給三十萬戍卒的兵糧，故此必須仰賴內地的補給。為了從黃腄（今山東省煙臺市）和琅琊等沿海之地運送糧食至北方的黃河，原本僅一石的東西，必須花費三十鍾（192石）。正因如此，秦朝百姓迫不得已肩負著沉重的負擔。即使男子拼命耕種，也生產不及軍役所需的食糧；女子日以繼夜紡織，也無法滿足軍用帳幕所需。百姓疲憊，孤兒寡婦及老弱病殘者無法生活，倒在道路兩旁死去的人，屢見不鮮。直到蒙恬死後，在河套以南戍邊的勞役因陳勝起義，關東大亂而軍心不穩，很快散去，從而迫使秦帝國放棄河套以南之地。

南征百越

秦徵南越形勢圖

現存史料提及有關秦國南征百越的歷史，可說是相當簡略。對於秦軍南征百越的經過，軍事部署、作戰環境以及秦軍面對的軍事困難，《史記》的記載甚至可以用“一鱗半爪”來形容，但可以肯定南征百越的時間，實際上遠比北伐匈奴要早。

根據漢文帝元年（公元前179年）南越王趙佗所述，他已經在嶺南地區生活了49年。由於《史記》記載趙佗籍貫真定，並非嶺南當地人，故此可以參考他在嶺南生活的時間，從而推算出秦始皇何時開始南征百越。自文帝元年往上推朔49年，為秦王政20年（公元前227年），正值趙國被消滅的次年，可見在趙國滅亡後不久，趙佗隨即因為趙人的身份而被徵召入伍，成為徵越大軍的其中一名士兵。因此可以肯定秦始皇在消滅六國的同時，便開始進行征服五嶺以南的軍事行動，而且更持續了十多年之久。

嶺南自古屬於“瘴癘之地”，亦稱“百越”，意指當地生活著眾多部落。漢初文學家賈誼自被貶為長沙王太傅後，亦聽聞長沙氣候潮溼多雨，以為自己會早死。漢人畏長沙如此，比長沙更南的嶺南，其環境之惡劣可想而知。即使是馳騁疆場半生，未嘗言苦的伏波將軍馬援，自受命討伐在交阯地區發動叛亂的徵氏姐妹以來，在平定叛亂後亦自言後悔未有聽從弟弟少遊的話，做個平民百姓，反而從軍平越。當時漢朝已統治嶺南地區達百餘年，土地半墾，道路粗通，郡、縣、鄉、裡四級政權已建立，已有不少越人漢化，其自然環境和人文環境已有巨大變化。馬援在提及徵越之戰時，仍猶有餘悸，恐怕客死異鄉，可以想像到秦朝時期，嶺南地區的自然及人文環境，較二百年後的馬援時代惡劣十倍，而現存的史料均指，秦始皇對號稱“瘴癘之地”的嶺南採取軍事行動的最大目的，是看中當地出產的犀角、象牙、翡翠及珠璣等物，以及揚威海外。

秦徵百越的經過，綜合現存史料可分為四個階段：

深入嶺南

約公元前227年（秦王政20年），秦始皇下令使尉屠睢以南郡為後勤重地，在當地徵發“吏卒”、“新黔首”、“甲兵”及各種軍輸物資等所謂“樓船之士”，沿湘江水道為主要補給線，深入百越之地。南征秦軍一路勢如破竹，越人紛紛逃入深山密林，逃避秦人的統治。

越人反攻

秦徵百越之前，由於百越地區的部落們已經矛盾重重，甚至多數相互攻擊，難以共同抵禦秦軍的攻勢，但問題是百越地區部族眾多，儘管各自為戰，但越人逃入深山叢林的舉措，令秦軍難以徹底消滅其有生力量，加上秦軍水土不服，當地瘴癘橫行，致使軍中大疫，非戰鬥減員情況日益嚴重，戰事陷入長期化，正如《淮南子》記載的“三年不解甲弛弩”。

在戰事中期，秦軍擊殺了當地最大部落的首領，西甌國首領譯籲宋，但越人並未屈服，反而推舉桀駿為新的首領，這個新推舉的首領在一次夜襲中大破秦人，並擊殺徵越秦軍最高統帥屠睢。

戰事僵持

秦滅六國，百戰百勝，但在百越地區的征戰居然令秦軍“伏屍流血數十萬”（《淮南子．人間訓》語），甚至連主帥也被擊斃。秦始皇大怒，為了迅速結束戰爭，惟有下令對百越增兵，而楚國之亡又讓秦軍兵力得到釋放，秦始皇乃“發卒五十萬”，分為五軍：一軍塞鐔城（今湖南靖州縣境）之嶺，一軍守九嶷（今湖南寧遠南）之塞，一軍處番禺（今廣東廣州）之都，一軍守南野（今江西南康境），一軍結餘幹（今江西餘干境）之水。五路並進，企圖一舉攻下百越全境。

不過兵力的增加，再加上越人反抗，利用熟悉地形的優勢，不斷襲擾秦軍勉強維持的補給線，令秦軍幾乎陷於崩潰，因此秦始皇下令使監祿（即史祿）負責轉運糧餉。

為了支援長期戰爭的物資消耗，史祿決定派遣士兵，開鑿連線湘江與灕江之間的運河，後世稱為靈渠，使中原和五嶺以北地區之兵員和糧草，能透過水運進入百越地區。由於開鑿靈渠屬於龐大工程，按當時技術條件，至少也得三至五年時間才能完成，故此戰事陷入僵持。

移民戍邊

“靈渠”的建成只是為戰爭提供較好的後勤保障，並不能保證最後的勝利。秦徵南越統帥尉屠睢戰死後，繼任統帥尉任囂，起初亦無良策對付越人之叢林戰，最後才想出了軍隊屯墾和“以謫徙民，與越雜處”之持久戰和移民同化的策略。

屯墾和移民戰術是控制百越地區最有效的方法，但見效慢，至少須五六年時間才能初見成效。由於當時秦始皇已消滅六國，故有充分條件遷移關東六國的“新黔首”（即所謂“中縣之民”）往百越地區“移民戍邊”。對於這些“新黔首”，秦始皇及秦國官吏根本不把他們當人看，把他們留在百越地區，與“越人雜居”，對秦始皇說有雙重好處：一是消滅了六國“亂民”或“惰民”；二是穩定了百越地區。

公元前214年（秦始皇33年），自下詔徵發嘗逋亡人、贅婿及賈人等（大概是商人和囚犯等人）近10萬加上原先剩下的20萬秦軍部隊，秦軍再次集中了30萬大軍向西甌軍發動了最後的總攻往百越地區後，秦始皇認為嶺南“粗定”，故在當地設定桂林、南海及象郡三郡。次年（秦始皇34年）始皇又下令貶謫執法不公的獄吏戌守百越地區。自秦王政20年令屠睢攻百越，至秦始皇33年嶺南“粗定”，對百越地區的戰事共進行了十三年。

儘管百越地區粗定，令嶺南地區自此納入秦國版圖，但秦國卻為此付出極其沉重代價，長期的徵越戰事導致百姓靡敝，民不聊生，而時任南海尉的任囂得悉朝廷因對越戰事的緣故，中原疲敝已極，就留居南越，稱王不歸，並派人上書，要求朝廷徵集無婆家的婦女三萬人，來替士兵縫補衣裳。秦始皇只同意給他一萬五千人。於是百姓人心離散、土崩瓦解，密謀造反的十家有七。

另一方面，移民“戍越”的黔首，多數出身自六國故地，他們為了逃避“戍越”，紛紛逃入深山密林，淪為盜賊，從而成為始皇崩後，六國故地相繼叛亂的導火線。

此可稱為秦始皇的開疆拓土，南征北戰。