统一天下后，嬴政也知道，靠武力统一的天下并不一定长久。于是，他以秦国制度为蓝本，在政治、经济、文化等领域实行全面改革。自然，确定嬴政的地位和权力成为首要任务。他认为“王”含义狭小，必须更新方可彰显自己的无量功德和人君的至上权威，于是责成群臣议举尊号。群臣和博士认为秦王平定天下，功业空前，远超五帝，鉴于古有三皇而秦皇最贵的传说，建议尊号更为“秦皇”，命为“制”，令为“诏”，自称为“朕”。秦王嬴政觉得自己功兼三皇五帝，决定从“三皇”、“五帝”中各取一字，号为“皇帝”，并批准“制”、“诏”、“朕”作为皇帝专用术语，不许他人染指。不可一世的秦始皇还说：“朕为始皇帝。后世以计数，二世三世至千万世，传之无穷。”可惜得很，秦始皇的理想未能变成现实，秦王朝二世而亡。之后，秦始皇又非分封、置郡县，把天下分为36郡，并在全国范围内建立了一套有利于中央集权和皇帝专制的行政机构。这套制度对国家统一、中央集权和君主专制都起到了重大作用。此后的历代封建王朝都以此为蓝本，加以发展和完善，使中国的封建集权专制成为世界历史上最为完善的封建制度，但正是这样的制度阻碍了中国的发展，在15世纪以后，中国的科技文化水平远远落后于后来居上的欧洲，国门也因此而被西方的坚船利炮打开，使中国人民沦为西方资本主义国家的殖民奴隶。但从另一个意义上来说，是保证了中国在此后两千年的历史中统一的因素占主导地位，即使在长期分裂中，人心也趋向统一。
秦始皇为了维护秦朝的统治，又先后进行了迁富豪、毁兵器、毁城防、筑驰道、订秦律、车同轨、书同文等有利于国家统一的措施，巩固了帝国的统一。
成为皇帝的秦始皇，统治是异常残酷的。他的身世对他后来的统治影响很大。秦始皇从出生伊始，就作为人质生活在异国他乡，童年时代又是在逃避赵国的追捕中度过。回到秦国成为太子，他的境遇大有改观，一下子从惶惶不可终日的“质子(人质)”成为一人之下，万人之上的太子，其间的世态炎凉、人情世故也只有他自己才能深刻体会。待到熬上秦王之位时，权力又被母亲赵太后和吕不韦所把持，而自己的亲生母亲又与假宦官嫪毐勾搭成奸，还给自己生下了两个同母不同父的弟弟，贵为君王的秦始皇当然不可能忍受这样的耻辱。对于秦始皇而言，他只有采取残酷的镇压政策，才可能以威服众，堵上对他有不敬之词的人的嘴。此后，秦始皇又重用战国末期“法家”的代表人物李斯，其治国思想中多少受到了李斯的影响。而统一天下后，面对六国贵族势力的反扑和民心不一的局面，秦始皇也只有采取残酷的统治措施，才可以巩固自己的统治，使自己一手创立的江山能够千秋万代。
此外，秦始皇毕竟只是凡人一个。在自己创立的帝国面前，秦始皇踌躇满志，不可一世，当然会为自己的丰功伟绩竖碑立传，先后修建了阿房宫和骊山墓等两个庞大工程，又为抵御外族的入侵，巩固边疆的统治而修筑了万里长城。这些庞大的工程耗资巨大，征用的人力物力又太多，自然会引起不堪重负的老百姓的不满，也就给了那些六国遗老们以恢复国土的口实。
春秋战国时期诸子百家的后代士人，也在这时候扑腾起来，对秦始皇大加挞伐。士人的指责，引起了秦始皇的不满。公元前213年，博士淳于越站了出来，他在一次庆祝宴会上重新提出，分封制度不能废除，他认为不按照古代的规矩办事是行不通的。李斯提出了反对意见，说：“现在天下已经安定，法令统一。但是有一批读书人不学现在，却去学古代，对国家大事乱发议论，在百姓中制造混乱。如果不加禁止，会影响朝廷的威信。”李斯又给秦始皇上了一封奏书，建议“命令史官将《秦记》以外的史书统统烧毁。除博士官掌管收藏以外，天下所有的《诗》、《书》和诸子百家书籍，一律送到郡中烧毁，有敢谈论《诗》、《书》的人杀头，以古非今的灭族。官吏知情不报同罪。令下30日不烧即判刑。保存医药、卜筮、和农书不毁。如果有人想学法令，拜官吏为师。”秦始皇批准了李斯的奏书，全国各地便展开了一场大规模的“焚书”活动。
焚书并未能封起士人的口。大量焚书，引起不少读书人和方士的不满，他们继续大造舆论，谩骂、攻击秦始皇，说他像一个专职杀人的狱吏，并以处罚削斩人为乐以此逞威，等等。加上秦始皇信神仙家之说，民情怨愤，士人的议论如浪如潮。秦始皇大怒，派御史进行调查。结果犯禁者460余人，秦始皇把他们全部坑埋在骊山深谷。因为其中多为儒生，所以史称“坑儒”。
秦始皇的长子扶苏进谏说：“天下初定，远方的黔首还没有安下心来，诸位先生都诵法孔子，陛下重法绳之，臣恐天下不安。望陛下三思。”秦始皇怒扶苏多嘴，把他轰出咸阳，让他到北边的上郡(今陕西榆林东南)去执行监军任务。
秦始皇的暴政，引起老百姓的不满。楚地流行着“楚虽三户，亡秦必楚”的歌谣，诅咒秦王朝灭亡。始皇三十六年(前211年)，东郡(今河南濮阳一带)落下一块陨石，有人在石上刻了一行字：“如皇帝死而地分。”秦始皇知道后，派遣御史追查刻字人，由于无人承认，便把陨石附近的居民全部杀死，然后销毁陨石。
在这样的局面下，秦始皇难免有些害怕起来。他一方面自认为功盖三皇五帝，另一方面又认为自己必须得以长生不老，方可将秦王朝的统治延续下去。所以在他的一生中，秦始皇为了寻求能长生不老的仙药，总是接连不断地出巡。
始皇三十一年(前120年)，秦始皇开始了他的最后一次巡游。他从咸阳出发，首先来到南方的云梦(今洪湖、洞庭湖一带)，在九疑山祭祀了虞舜。然后顺江东下，由丹阳(今安徽当涂东)登陆，来到钱塘(今浙江杭州)，绕道向西120里渡江登上会稽山，在山上祭祀了大禹。祭坛大禹，秦始皇在会稽山刻石留念，然后下山，经吴中(今江苏吴县)北上。秦始皇一行从江乘(今江苏镇江)渡江，一直沿着海边向北，又来到琅邪。他总想能在海边有所收获，遇见仙人或得到仙药，所以一直靠着海岸走，然而仍一无所获。看看求仙无望，便决定返回咸阳。连日的旅途劳累，加上途中遭到张良等人的伏击，心情沮丧，到平原津(今山东平原附近)就病倒了。于是秦始皇和随从一路疾驰，准备赶回咸阳，不料到了沙丘(今河北广宗县西)，秦始皇终于病逝。时为始皇三十一年(前210年)七月。秦始皇在位37年，称王25年，称帝12年，终年50岁。安葬于骊山。
