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上长城应战，一部分人已经惊慌地逃窜了。双方大杀一夜，秦军就越过了城墙，与匈奴兵砍杀在了一起。一个时辰后，匈奴兵就纷纷败退了。头曼单于和左右大将见无法控制局面，也只好随着人流退却。原来匈奴人作战，只图眼前的利益，如果无利可图，就各自逃命，也互不救援，因此全线溃败了。只在一夜之间，防守长城的二十万匈奴军，就已经被烧死、射死、杀死、踏死者超过了一大半。剩下的都跟着大单于仓惶逃命。蒙恬夷平了匈奴大营后，就率领大军继续追杀残余。
头曼单于果然向黄河渡奔去，他一路败逃，又接纳了后方的十万人马。一日黄昏，匈奴兵来到黄河边上，发现渡船已经被秦军烧毁了，就大叫道：“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了啊！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！”言未毕，一声鼓响，迎面杀声震地。只见战马萧萧，前方冲出了无数的秦国骑甲，将头曼的大军团团围住。迎面的帅旗上写着一个大大的‘王’字，正是王离的军队。这时后面的军士也飞马来报：“大王，不好了，蒙恬从后面杀来了！”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，我们与他拼了啊！杀！”双方的将士就在黄河边上展开了一场激战，大战。蒙恬和王离会合后，蒙恬下令将西北方向的秦军撤围。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，不然他们见必死无疑，就会拼命，这是用兵的大忌。”王离佩服其高论。
匈奴兵就被三倍的秦军夹击，又一场血战。头曼单于正准备下令死战，要与秦军同归于尽，忽然有人来报，说西北角上没有秦军。头曼见有一线生机，就率领大家向西北突围。蒙恬见头曼果然只想逃命，就率领秦军奋力追杀。这一追，只杀得匈奴人尸横遍野，血流成河，黄河水都变成了红色。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将军预料的那样，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，只剩下数千人马，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，突然拔出了佩剑，就要抹脖子。左右的将士急忙扯住道：“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，又怎敢烦劳他们啊？”将军们都道：“胜负是兵家常事，更何况大王与嬴政都是天生大圣人，今后卷土重来尚未可知，您怎能失掉斗志啊？”头曼这才转忧为喜，就赶紧派水手过河去联络族人。
接下来的几天，蒙恬率领大军驱逐匈奴残部，摧毁各据点。王离却尾随单于而来。一日他们来到黄河边上，也是人困马乏，但也不知道头曼逃到了哪里，正要派人查寻下落，忽然军探来报，说头曼就在前方不远处渡河哩。王离就问匈奴人怎样渡河。军探道：“河北有人来救应他们，还准备了数十条大船来回摆渡。”王离就急忙率军来到河边，果见匈奴兵都在抢渡，就率领大队冲了上去。头曼在南岸见秦军骤至，就赶紧登船离去了，剩余的军士全部被河水冲走了。单于爬上岸后，族人一齐拜呼万岁。族人中有一个小男孩，长的与众不同，他正是头曼单于的小太子，名叫冒顿。此时见单于十分狼狈，就对单于道：“父王，等我长大了就一定给您报仇！”单于看到儿子，心里似乎有了许多安慰，就爱抚地将他抱在了怀中，然后遥指对岸道：“此仇不报，寡人死不瞑目啊！”大家就簇拥着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。从此黄河以南的土地就全部归在了秦国的版图之内。
始皇帝接到喜报，大喜过望，就嘉奖将士，又令蒙恬渡过黄河继续攻取土地。蒙恬不负重望，便率领大军过了黄河，攻占了高阙、北假、阴山等地，还在黄河边上修建了烽火台。头曼单于听说秦军渡过了黄河，就弃了头曼城，向北方继续退却。这就是后来贾谊在《过秦论》中说的：“乃使蒙恬北筑长城而守藩篱，却匈奴七百余里。胡人不敢南下而牧马，士不敢弯弓而报怨。”的话。蒙恬将军就在那里设置了云中郡和九原郡，又新增了三十四个县。蒙恬将军此时见到处都是大漠荒原，无险可守，就向皇帝上书，要修建长城。
始皇帝接到报告，经过一番深思熟虑，就召集群臣道：“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！”始皇问又为何不行。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。现在陛下要把北方的长城全部连接起来，从陇西到辽东，长达万余里，况且所经之地，高山峡谷很多，如此艰难的工程，何时才能完成啊？这将是一场劳民伤财的举措，请陛下三思！”始皇帝笑道：“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，何愁建不成啊？人心齐，泰山移。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，秦始皇帝就下令向北方移民，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，开荒的开荒。皇帝还整顿全国的官吏，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。秦国又在南方设立了南郡、象郡和桂林郡，又在岭南地区进行大规模的交通建设。