秦始皇第二次东巡回到咸阳后，不知是由于博浪沙“为盗所惊”，还是因为寻仙求药一无所得，抑或是由于国事繁忙？足足有两整年的时间，皇帝的车驾没有出咸阳巡游。到了第三年，即公元前215年（秦始皇三十二年），秦始皇的车队再次离开咸阳，巡行帝国的东北及北方边塞。他选定的第一个巡行目标是渤海之滨的碣石（今河北乐亭附近），这显然同他对寻仙求药念念不忘有关。
从咸阳至碣石，秦始皇的车队一路要经过原韩、魏、赵、齐等国的交界地带以及黄河所经过的地方。战国时期，山东各国为防务上的需要，都各在边境修了不少城郭与关塞亭障，沿黄河所修的堤防，也大多是“以邻为壑”。这一切，常常会导致水患的发生，于交通也甚为不便，已不适应于天下一统的客观需要。秦始皇在巡行途中，对于这些旧有的城塞和堤防给帝国与百姓带来的障碍与祸患，心中很是讨厌，于是巡行途中便下达了“坏城郭、决通堤防”的法令。这一法令的施行，对于发展我国华北地区的社会经济和安定人民生活，无疑起到了积极的作用。
秦始皇到达碣石后，据《史记》的《秦始皇本纪》所载，他曾“使燕人卢生求羡门、高誓”、“因使韩终、侯公、石生，求仙人不死之药”。卢生是燕地的一名方士，羡门与高誓都是传说中的“古仙人”。可见，寻仙求药仍是秦始皇来碣石的动机之一。而《史记·封禅书》则言：“游碣石，考入海方士。”《集解》引服虔等人的解释说：“疑其诈，故考之”；“考其虚实也”。秦始皇在四年前来到渤海之滨时，就有不少方士向他讲海上有神仙与长生不老之药，他也派方士入海寻找，结果总是一无所得。秦始皇的“疑其诈”、“考其虚实”是可以理解的。然而“疑”与“考”，并未能使秦始皇放弃对神仙与长生不死之药的幻想与追求。
秦始皇是第一次来到碣石，因而在“碣石门”刻石颂德。据《秦始皇本纪》所载，刻石的“其辞曰”：遂兴师旅，诛戮无道，为逆灭息。武殄暴逆，文复无罪，庶心咸服。惠论功劳，赏及牛马，恩肥土域。皇帝奋威，德并诸侯，初一泰平。堕坏城郭，决通川防，夷去险阻。地势既定，黎庶无繇，天下咸抚。男乐其畴，女修其业，事各有序。惠被诸产，久并来田，莫不安所。群臣诵烈，请刻此石，垂著仪矩。秦始皇在碣石寻仙求药，北魏人郦道元著《水经·濡水注》，曾记载了一段有关秦始皇求仙的神话故事，故事的梗概是：
濡水东南至悗县碣石山，今日犹有石枕于海中，如同甬道一般，长达数千里。山顶有巨石如圆柱形，时现时没，立于大海之中。当潮水大至之时，圆柱隐而不见；潮水退后，圆柱形巨石复出，屹立于海中，不知深浅，世代称它为“天桥柱”。天桥柱的形状，犹如人工造就，然而这又是人力所无法能做到的。三国时期吴国的学者韦昭也说这个圆柱形的天桥柱便是古人所说的“碣石”。《三齐略记》上说：“当年秦始皇在海中造作石桥，海神暗中帮助他竖立石柱。”始皇请求与海神相见，海神传话说：“我形貌丑陋，相见时如不为我画像，我便与你相见。”秦始皇答应海神所提出的条件，便入海40里与海神相见。当见到海神时，始皇与左右随行人员个个目瞪口呆，哪里敢动手画像。然而，船上随行的“画工”也许是职业上的关系，却暗中用脚往船板上画海神的图像。海神见画工暗自用脚为自己画像，顿时大怒说：“皇帝违背前约，速速离去。”当秦始皇回转乘马登岸时，马的前蹄方立，后蹄所踏之石当即崩塌，仅秦始皇一人得以登岸，画工溺死于海中，众山之石皆倾注于海。今海岸岩石仍作倾斜于海的形状，可能就是这个缘故。
《水经注》所载《三齐略记》上的这段神话故事，所言不可当真。然而，这段神话故事的编造与流传，不正是与秦始皇当年一心想求得神仙与长生不老药有关吗？
郦道元在《水经·碣石山注》中，对碣石山本有正确的解释，其文曰：“大禹凿其石，石夹而纳河，秦始皇常登之。海水西浸，岁月逾甚，而苞其山，故言水中矣。”
秦始皇于碣石派卢生、韩终、侯公、石生等人入海寻仙求长生不死之药，在碣石门刻石颂德之后，便率领车队巡行帝国的北部边境，一路经右北平郡的治所无终（今河北蓟县）、渔阳郡的治所渔阳（今河北密云西南）、上谷郡的治所沮阳（今河北怀来东南）、代郡的治所代（今河北蔚县）、雁门郡的治所善无（今山西右玉县南）、云中郡的治所云中（今内蒙古托克托县东北），来到了上郡的治所肤施（今陕西榆林县东南）。
秦始皇巡行右北平、渔阳、上谷、代、雁门、云中诸郡的目的，意在巩固帝国的北方边境，为防止匈奴入侵采取相应的措施。在代郡，被派往海上寻仙求药的卢生从海上回来。卢生曾多次向始皇谈海上神仙之事，而实际上却一无所得。这次，卢生为向秦始皇交差，便编造了一些鬼神故事，同时上奏一部宣扬符命占验的图箓之书，书上有“亡秦者胡也”五字。当时正一心思念防御匈奴的秦始皇，见图箓上有亡秦者胡也五字，便信以为真。自战国以来，包括匈奴在内的一些北方游牧民族，中原人统称他们为“胡”。
晚年迷信于神仙的秦始皇，把图箓上的话奉为神明。为消除日后亡秦的祸患，秦始皇在从代郡回到都城咸阳后，便命令蒙恬率30万大军北击胡人，攻取黄河河套以南被匈奴所侵占的大片土地。秦始皇的第三次出游，巡行帝国东北部边境，便以作出攻击匈奴的决定并返回咸阳而结束。