公元前221年是中國歷史上極為特殊的一個年份，因為就在這年奮六世之餘烈的秦始皇終於消滅了山東六國中堅持到最後的齊國，古老的華夏大地迎來了嶄新的大一統帝國時代。然而秦始皇所要建設的究竟是怎樣一個帝國呢？事實上在這一刻他被歷史賦予了全新的使命，一個時代的新命題由此拉開序幕。既然要打造一個全新的帝國，那麼就需要進行一整套與新帝國配套的建設工作。事實上當統一戰爭尚未結束時秦始皇就已開始思考這個問題了，而當天下歸於一統之後秦始皇鄭重地向滿朝文武拋出關於確定君主尊號的話題。
夏、商、周三代天子皆稱王，而列國諸侯則根據自己的爵位分別稱公、侯、伯、子、男。春秋時代楚國君主率先開啟諸侯稱王的先例，進入戰國時代後列國競相稱王，「王」這一稱號因泛化而大為貶值。秦始皇認為自己作為嶄新帝國的統治者必須有全新的尊號才能顯示自己開創新時代的豐功偉績，所以他下詔聲稱：「寡人以渺小之身起兵誅討暴亂，幸虧祖宗神靈庇佑。如今六國之君皆因他們的罪過而受到了應有的懲罰，天下因此大定。如不改名號則無法頌揚統一天下的功績，也無法傳之後世。故請諸臣共議尊號」。
群臣商議後進言道：「昔日五帝統治的土地縱橫各千裡，外面分布著侯服、夷服等地區。諸侯有的朝見，有的不朝見，天子不能控制。如今陛下興正義之師誅討暴亂、平定天下，使海內歸於一統。此乃亙古未有之事，可見陛下功蓋三皇五帝。臣等與博時商議認為『古有天皇、帝皇、泰皇，而泰皇最為尊貴』。臣等冒死獻尊號曰『泰皇』，王命稱『制』，王令稱『詔』，天子自稱為『朕』」。秦始皇採納了群臣提出的「皇」字，同時去掉「泰」字，又將「三皇五帝」的「帝」字與「皇」字合稱「皇帝」。
「皇帝」尊號的誕生看起來似乎只是改了個名稱而已，在帝制早已成為歷史的今天稱王或稱帝看來也沒太大區別，然而實際上這標誌著時代的轉折。如果說改易名號更多起到的是時代轉折的象徵意義，那麼與此同時秦始皇還為新生的帝國進行了全新的制度設計。在今天陝西省秦漢新城附近的窯店鎮矗立著一座平臺，在秦始皇的年代這裡正是他的統治中樞鹹陽宮。公元前221年秦始皇在這裡召開了一場重要的宮廷會議，而會議所討論的主要議題就是確立帝國的統治制度。
對秦始皇而言：如果管理統一的新生帝國是擺在面前的重大課題，因為他所統治的土地和人民已膨脹到了之前秦國的七倍。這時很多人的思維觀念仍停留在古老的分封制年代，所以丞相王綰率先上奏道：「如今六國臣服，天下一統。燕、齊、楚地處偏遠，不如分封皇子為王以鎮撫各地」。然而廷尉李斯表示反對道：「昔日周文王、周武王分封的同姓子弟很多，然而經過數代人後各國諸侯彼此之間的血緣關係開始疏遠，各國為爭奪利益而互相攻擊猶如仇人，天子也無法阻止他們的行為。如今再行分封必留後患」。
最終秦始皇採納李斯的建議：廢除分封制，改行郡縣制。秦朝的地方行政機構分為郡、縣兩級。郡縣主要官吏由中央任免。秦始皇在全國設置了36個郡。郡設守、尉、監（監御史）。郡守掌治其郡。郡尉輔佐郡守並典兵事。郡監掌監察事宜。郡之下設縣。萬戶以上的縣設令（縣令），萬戶以下的縣設長（縣長）。縣令、縣長領有縣丞、縣尉及其他屬員。縣令、縣長主要管政務，縣尉掌握軍事，縣丞掌管司法。縣以下設鄉，其主要職能有四：1.攤派徭役；2.徵收田賦；3.查證本鄉被告案情；4.參與對國家倉庫糧食的保管工作。
鄉設三老掌教化，嗇夫掌訴訟和賦稅，遊徼掌治安。鄉之下設裡作為最基層的行政單位。裡有裡典，後代稱裡正、裡魁，以「豪帥」即強有力者為之。裡中設置嚴密的什伍戶籍組織，以便支派差役、收納賦稅。同時規定互相監督告奸，一人犯罪，鄰裡連坐。此外還有掌管治安、盜賊的專門機構叫做亭，亭設亭長。亭除了主要管理治安，還負責接待往來的官吏，掌管為政府輸送、採購、傳遞（文書）等事。郡縣制使皇帝的命令得以直接滲透到地方基層，從而使中央集權得到大大強化。
與地方的郡縣制改革同時進行的是對中央官制的改革：秦朝中央官制的核心內容就是三公九卿制度。所謂三公是指丞相、太尉、御史大夫。丞相設左右二員，作為百官之首掌政事。太尉掌軍事，不常置。御史大夫作為丞相的副手，掌監察百官。三公以下分設分掌管具體政務的諸卿：掌宮殿掖門戶的郎中令、掌宮門衛屯兵的衛尉、掌京畿警衛的中尉、掌刑闢的廷尉、掌谷貨的治粟內史、掌山海池澤之稅和官府手工業製造的少府、掌治宮室的將作少府、掌民族事務和外事的典客、掌宗廟禮儀的奉常、掌皇室屬籍的宗正、掌輿馬的太僕等。
政務由丞相、太尉、御史大夫與諸卿議論，最終由皇帝作出裁決。此外秦代還設有一些比較重要的官職：「掌通古今」的博士要通曉古今史以備皇帝諮詢，同時負責圖書收藏；典屬國與典客一樣主管少數民族事務，不同的是典客掌管與秦友好的少數民族的交往，而典屬國則負責已投降秦朝的少數民族；詹事管理皇后和太子的事務。秦王朝建立的這套中央集權機構的政權一直被此後歷朝歷代所仿效。在進行中央和地方的官制改革的同時秦始皇也致力於從經濟、文化等方面鞏固帝國的統一。
戰國時期列國的度量衡和貨幣制度均存在較大差異。秦始皇以原來秦國的度、量、衡為單位標準淘汰與此不合的制度。秦王朝在商鞅頒布的標準器上加刻詔書銘文或另行製作相同的標準器刻上銘文發到全國。凡與標準器不同的度、量、衡一律禁止使用。在田制上秦王朝規定6步（合今230釐米）為尺，240步為一畝。這一畝制以後沿用千年而不變。在幣制方面以原來秦國的半兩錢作為統一帝國的貨幣，原來六國通行的珠玉、龜貝、銀錫等不得再充當貨幣。同時鑄幣權被牢牢掌握在國家手中，嚴懲私人鑄幣的行為。
戰國時期列國的文字也不統一，秦始皇為此下令李斯等人進行文字的整理、統一工作。李斯以戰國時期秦人通用的大篆為基礎吸取齊、魯等地通行的蝌蚪文筆畫簡省的優點，從而創造出一種形體勻圓齊整、筆畫簡略的新文字。這種文字被稱為「秦篆」（又名「小篆」）。秦篆成為了王朝法定的官方規範文字，同時廢除其他異體字。此外一位名叫程邈的衙吏因犯罪被關進雲陽的監獄。程邈在坐牢的10年期間對當時字體的演變中已出現的一種變化（後世稱為「隸變」）進行總結，從而創造出隸書這一字體。
秦始皇得知程邈的事跡後將其釋放並提拔為御史，隸書由此得以在全國範圍內推廣。隸書打破了古體漢字的傳統，奠定了楷書的基礎，提高了書寫效率。秦始皇下令統一和簡化文字，是對中國古代文字發展、演變做了一次總結，也是一次大的文字改革，從而最終實現了舉國「書同文」的目標。秦始皇還下令修建從首都通往全國各地的馳道，同時把全國的馬車車軸距離定為以六尺為制。這就使秦始皇鞏固帝國統一的又一重大舉措「車同軌」。秦始皇深知要鞏固帝國的統一就必須加強帝國各地之間的交通聯繫。
從公元前222年起秦始皇開始大幅修築以國都鹹陽為中心向四面八方延伸出去的馳道。這是一種類似現代的高速公路的道路。在統一車距的同時全國各地的馳道寬度也被統一為五十步。馳道的修建使原秦國故地與六國舊地之間的交通聯繫大大加強，從而強化了帝國對各地的控制力度，同時也大大便利了秦王朝在與北方的匈奴等部族的戰爭的後勤補給，還方便了秦始皇的巡遊。秦王朝著名的馳道包括：上郡道、臨晉道、東方道、武關道、秦棧道、西方道及秦直道。
與「書同文」、「車同軌」同時並行的一項政策是「行同倫」，也就是建立統一的倫理道德和行為規範。秦始皇二十八年（公元前219年）秦始皇來到泰山下。這裡原是齊國故地，號稱「禮儀之邦」。秦始皇就令人在泰山所刻的石上記下男女之間界限分明，以禮相待，女治內，男治外，各盡其責，從而給後代樹立好的榜樣。秦始皇三十七年（公元前210年）在會稽刻石上留的銘文則對當地盛行的淫泆之風大加鞭笞，以殺姦夫無罪的條文來矯正吳越地區男女大防不嚴的習俗。
中國古代在今天的江南、嶺南地區生活著古越族，他們分布在今天的江蘇、上海、浙江、廣東、海南、廣西及越南北部這一長達七八千裡的半月圈內。越族內部又分為于越、揚越、甌越、閩越、南越、駱越等不同支系，合稱百越。如今其他越族分支大多已融合在中華民族的血脈之中，而且絕大多數就是融合在了中華主體民族漢族的血脈基因之中，事實上廣東省的簡稱粵在古漢語中和越就是通用的，而今天的廣東顯然是以漢族人口居多的，這有兩方面的原因：一則因為中原人口的南遷；二則因為當地越族的漢化。
公元前218年秦始皇命大將屠睢率50萬大軍南徵百越。秦軍兵分五路：一路攻取東甌和閩越，兩路攻南越，其餘兩路攻西甌。《淮南子·人間訓》記載了秦始皇南徵百越的艱難歷程：「使尉屠睢發卒五十萬為五軍……三年不解甲馳弩，使監祿無以轉餉；又以卒鑿渠而通糧道，以與越人戰，殺西嘔君譯籲宋；而越人皆入叢薄中與禽獸處，莫肯為秦虜，相置桀駿以為將，而夜攻秦人，大破之，殺尉屠雎，伏屍流血數十萬，乃發適戍以備之。」兵分五路的秦軍經廣西北部的越城嶺、湖南南部的九嶷山以及江西南康和餘干等地向兩廣地區的越族進軍。這場戰爭前後相持達三年之久。
秦始皇為解決大軍糧草運輸的問題下令在如今廣西興安境內的湘江與灕江之間修建一條人工運河。公元前214年這條名為靈渠的運河完工鑿成，同年秦始皇派任囂和趙佗再次進攻百越各部族。這次秦軍順利徵服了嶺南地區的百越部族，隨後秦王朝在嶺南設南海、桂林、象郡三郡從此以後嶺南兩廣地區就成為中華版圖的一部分，這其中的象郡所轄之地甚至已延伸到越南北部地區。秦軍的南下為嶺南地區帶來了北方中原農耕技術與先進文化，使嶺南地區迅速從刀耕火種時代平穩進入農耕文明時代。
在秦始皇南徵百越之時北方的匈奴部族已對帝國的北疆構成越來越大的威脅：戰國後期匈奴的勢力就已日漸抬頭。因此與匈奴接壤的秦、趙、燕等國就沿著北部邊境各自築起了城牆以防止來自北方的遊牧騎兵的入侵。秦軍東出徵服六國之時北部邊境的軍事力量有所削弱，匈奴趁機佔領了河南地（今黃河河套平原）。公元前214年春秦始皇命蒙恬統率30萬大軍北擊匈奴。蒙恬一舉收復了被匈奴佔據的河南地，隨即將這裡作為防備匈奴的軍馬放牧地。秦始皇在蒙恬收復的河南地設九原郡（治所在今內蒙古包頭市西北）。
秦王朝在北伐匈奴的同時又向新設的九原郡遷徙了大批刑徒以充實當地人口。公元前212年為進一步增加了徙邊的人數又在謫徙刑徒的基礎上進一步鼓勵一般民眾移居邊地。公元前211年一次就從內地徙民三萬家至北河、榆中定居，凡遷徙北疆的內民居民均「拜爵一級」。這些遷去的民眾與刑徒一面屯墾、一面戍邊，既充實了當地的武裝力量，也促進了當地的開發建設。秦始皇為鞏固北部邊防將之前秦、趙、燕等國的北部長城防線連接起來，由此形成了西起臨洮（今甘肅山尼縣）、東止遼東（今遼寧省）的萬裡長城。
在南徵百越、開發北疆的同時秦始皇還派遣將軍常頞率軍修築了「五尺道」：這條古道從四川出發往東南行，經僰道（宜賓）、南廣（鹽津）、朱提（昭通）、夜郎西北（威寧一帶）、味縣（曲靖），至滇池（昆明），繼續向西至葉榆（大理）。這條道路雖只有五尺寬，卻和貫通全國各地的大秦直道具有同等重要的意義，成為秦帝國開拓西南地區的重要依託。棧道開通後大秦的勢力直接抵達且蘭、夜郎、邛都、昆明等地。秦王朝在這些地區設官「置吏」，建立了行政機構。
與此同時秦又經蜀郡加強了與邛都、筰、冉者的聯繫，使之納入了郡縣制的行政系統。從此西南少數民族地區不僅密切了與內地的關係，而且成為了統一多民族國家的一部分。秦始皇通過五尺道控制了當地的部族國家，從而將政治勢力伸入了雲貴高原。至此秦王朝的疆域東起遼東、西抵高原、南據嶺南、北達陰山，東北一直延伸到如今朝鮮半島的清川江流域，往南一直延伸到如今的越南北部，面積達340萬平方公裡左右。在經過南徵百越、北擊匈奴、開拓西南之後秦王朝國內郡的數量由36個增至48個。
秦始皇通過在帝國各地巡遊的方式向民眾展示皇帝的權威，同時他把對各地的祭祀進行一定繼承作為一種極具象徵意義的統治策略。從統一天下後的第二年直到他去世的十年間秦始皇一共有五次大規模的巡遊。除了第一次之外均是以過去東方六國的領土作為巡遊對象，而原來的齊魯故地則成為他巡遊活動的中心。這是因為齊魯大地上的泰山自古以來就被視為神聖的象徵。傳說上古時代的聖人曾在泰山舉行向天地祭祀的封禪大典，泰山封禪因此被歷代統治者視為最高的政治榮譽。
不過在秦始皇之前所謂的「泰山封禪」多出自上古傳說，事實上秦始皇才是中國歷史上第一個有明確記載的曾登上泰山祭祀天地的統治者。秦始皇的開創性之舉成為後世歷代之君競相模仿的榜樣，只有文治武功傑出的統治者才有資格登上泰山舉行封禪大典。秦始皇之後的兩千餘年帝制時期只有漢武帝劉徹、漢光武帝劉秀、唐高宗李治、女皇武則天、唐玄宗李隆基、宋真宗趙恆六位地位舉行過泰山封禪儀式。這其中除宋真宗外其餘五位皆為文治武功突出者，也正因為不夠資格的宋真宗弄低了封禪的身價，所以之後再沒哪代帝王舉行過封禪。
儘管中國作為一個高度中央集權的大一統帝國是由秦始皇嬴政所締造的，然而其實大一統思想早已有之：早在《詩經》中就有「普天之下莫非王土，率土之濱莫非王臣」的說法，戰國七雄混戰的最終目的就是實現統一，思想各異的諸子百家在有一個問題上還是基本統一的。事實上中華秦帝國的形成過程和波斯帝國、羅馬帝國有一個顯著的不同就是：秦國一直具有明確的混一天下的奮鬥目標，正是基於這一目標才使秦始皇嬴政得以奮六世之餘烈；相比之下波斯、羅馬的擴張是沒明確目標的。
作為大一統思維的衍生物之一就是天下體系：在古代中國的政治話語體系中天子受命於天而治天下，而位於天下之中的地區稱之為中國、華夏，位於周邊的各民族則分別稱之為戎、狄、蠻、夷。理論上而言：既然天子受命於天而治天下，那麼其權力也理當覆蓋到周邊的戎、狄、蠻、夷。事實上秦始皇並沒將吞併六國視為一統天下的終結，他一直在探索帝國疆界之外還有哪些神秘未知的世界。為此他徵服百越部族聚居的地區，打通了和西南地區的交流通道，甚至秦始皇巡遊東海並遣方士徐福出海當真只是為尋找長生不老之藥嗎？
也許秦始皇此舉是不是也暗含有探索海外世界的目標呢？公元前219年秦始皇向山東琅琊移民三萬戶。同時他本人也來到琅琊巡遊，據司馬遷在《史記》中的記載：秦始皇在琅琊逗留了三個月，其間「大樂之」。秦始皇這次東巡是不是想把琅琊打造成為一個海港基地，從而便利將來探索海外世界呢？對此歷史並未給出答案，所以我們只能猜想。公元前210年秦始皇開始了生平行程最遠的一次東巡：上會稽祭大禹，最終抵達了面朝渤海的碣石。秦始皇在這裡留下了頌揚大秦功德的石刻，這個地方也就被後人稱為秦皇島。
這次巡遊與以往不同的是：秦始皇首次下海了。秦始皇在會稽稍作停留之後乘船從長江入海，然後從海上繞行山東半島。在黃土地上戎馬一生的秦始皇似乎很享受這次在海上搏擊風浪的經歷：在一次與海神大戰的夢醒來之後他從山東半島再次北上，在此期間秦始皇曾操縱秦弩與海上的大魚搏鬥。當時地理知識有限的人們一直以為中國處於世界的中心，四周被海洋所環繞，所以中國的土地謂之海內，而四周的大海謂之四海。然而齊國的陰陽家鄒衍卻提出了一種與此截然不同的觀念。
鄒衍認為像中國這樣的大陸地在世界上存在九個，而九大洲之間被海洋所隔絕。熱衷於開疆拓土的秦始皇即使不接受鄒衍的觀點，但海外的未知世界的確對他具有莫大的吸引力。況且秦國賴以起家的關中平原地處華夏西陲的客觀事實也使秦始皇能比從小生活在中原腹地的人更能發現四海說的謬誤：傳說中華夏大地的東、南、西、北四面皆被大海環繞，然而秦國歷代君主很早就知道在其西部和北部分布著廣袤的陸地，其間生活著各種戎狄部族，有的還曾與秦國有過戰鬥或交流。
既然秦國的西部和北部分布著廣袤的陸地，那麼在遙遠的海外是否也可能存在陸地呢？傳說東海之上有蓬萊、方丈、瀛洲三座仙山，秦始皇派徐福去尋訪這些仙山。尋求長生不老藥也許是秦始皇的目標之一，不過與此同時他是不是也對海外世界有著某種興趣呢？公元前210年的盛夏沒能等到徐福船隊返航的秦始皇只能帶著遺憾踏上歸途。當車隊行至河北沙丘時秦始皇突發暴病而亡。同行的趙高、李斯等人對外隱瞞了秦始皇的死訊，同時他們偽造詔書立秦始皇的小兒子胡亥為太子。回到鹹陽的胡亥對外宣布秦始皇已死並登基成為二世皇帝。