加冠并彻底清除吕不韦、嫪毐的势力之后，年轻的秦王真正掌握了大权。上无太后干政，下无权臣制约，秦王政终于能够放手大胆地实施他的治国方略了。

在对外军事行动上，秦王政一改过去分散的蚕食行动，开始对三晋及燕、楚实施集中打击，一直持续到秦王政十五年（前232）。秦军多次对赵国发起大规模进攻，分别从上党、太原出发，先后攻取了赵国大面积的土地。

这时，秦国已据有天下大半的区域，即便远在山东，也有秦国的领地。靠近秦国的韩、赵、魏，被秦国长期攻打，只能勉强招架自保，根本没有还手之力。楚国更是在秦军的凌厉攻势下，将都城一迁再迁，屈居江淮一带。而在秦国的远交攻势下，燕国将太子送到秦国为质，获得暂时的安宁。齐国则以为远离秦国的虎口，上下一片歌舞升平。

到秦王政十六年（前231），秦军以进攻韩国为标志开始了真正意义上灭亡六国、并兼天下的战争。

秦王政十七年（前230），秦国集中力量进攻韩国，当时韩国基本上已无险可守、无兵可用了。韩王安被俘获，韩国旧地成为秦的颍川郡。

秦王政十八年（前229），秦军在王翦的率领下再度大举攻赵。秦、赵大战持续两年，秦军最终大破赵军，兵入邯郸，俘虏了赵王及文武大臣。秦国在赵国旧地设立了邯郸郡。赵国公子嘉率一部分宗族逃到代郡，自立为赵王，苟延残喘了一段时间。

秦王政二十年（前227），燕国的太子丹派遣荆轲入秦，刺杀秦王未遂。王翦率辛胜、李信等带领秦军向燕国大举进攻，秦军势如破竹，次年攻入燕都，燕王远走辽东，并奉上太子丹的人头向秦军求和。

秦王政二十二年（前225），秦国派王翦之子王贲攻魏，王贲兵围大梁，秦军引鸿沟之水灌大梁，魏王出城投降。秦在魏地设立郡县。

灭魏以后，秦将李信、蒙武率二十万大军进攻楚国，但是楚将项燕抵挡住了此次秦军的攻击。后来，老将王翦再率六十万大军进攻楚国，最终消灭了项燕所带领的楚国主力军队。项燕自杀，秦军遂长驱而入，攻入楚都寿春，俘虏楚王负刍。次年，秦军南下出击江南地，降服了越国，在东南地区设立了会稽郡。

秦王政二十五年（前222），秦军再度进击，王贲、李信率大军攻下辽东，俘虏燕王喜，燕国灭亡。

灭燕之后，秦王政派大将王贲率军从燕国由北向南入齐，蒙恬从楚故地北部由南向北入齐，两路秦军**临淄。齐国长期附和秦声，以至秦军兵抵临淄城时，“民莫敢格者”，齐王为了保住性命不战而降。齐灭亡后，秦国置其地为齐郡。

兼并六国之后，秦始皇并没有局限于原来六国的疆土范围，而是继续致力于向周边地区扩大疆域，南征闽越、百越，北却匈奴。秦的疆域拓展行动在历史上具有非常重要的意义，之后的西汉、唐朝等朝代就是在秦国的版图上继续扩大疆域，基本上奠定了现代中国的地理版图。

秦帝国先是开拓了东南地区。春秋战国时期，生活在南方（长江以南）的少数民族一般被统称为越人。公元前473年，越国灭吴。公元前306年，中原大国楚国消灭了越，其地尽入楚。王翦在公元前222年消灭了楚国的残余势力后，“因南征百越之君”。秦人取得胜利后，即设立了会稽郡，郡治在今浙江绍兴，江南一带的越人遂成为大秦帝国的臣民。

接着，秦又进击岭南地区。公元前220年，秦军在平定江浙一带越人的基础上，大举向岭南地区的百越进军。秦军为进攻越人做了长达三年的准备，为此专门修建了灵渠，解决了军粮给养问题。初期秦军进攻不利，始皇三十三年（前214），始皇帝再派任嚣、尉佗为将，征发“逋亡人、赘婿、贾人”开赴岭南，取得了胜利。秦国在西瓯、南越、骆越故地分别设立桂林、南海、象郡三郡。

早在战国后期，秦国彻底灭掉义渠戎国后，进而向西北地区的其他少数民族发起进攻，西北地区的陇西、宁夏一带基本上被秦军所占据，秦因此设立了陇西、北地二郡，这两郡与秦国北部的上郡连为一体。同时，秦国也着手在边境地区修筑长城以抵御匈奴的进攻。秦统一六国时期，无暇北顾边地，匈奴趁机向南扩张，一度占据了河南地，即今河套地区，对秦国的关中平原构成了严重威胁。

秦统一六国后，秦始皇遂将解决北方边境的匈奴祸患提到首要地位。统一的次年，秦始皇首次出巡，巡视的地区即是陇西、北地二郡。始皇三十二年（前215），始皇帝派将军蒙恬发兵30万人北击匈奴，略取河南地；接着，蒙恬又渡河攻取“高阙、阳山、北假中”，拓展了北部疆域，秦国在这一地区设立九原郡。