由於徐巿在寻找仙丹的过程中花费大量钱财。害怕面对秦始皇的雷霆之怒，故托辞称蓬莱仙药虽可能取得，却总被大鲛鱼阻挡，因此无法抵达仙人岛。要求增派神箭手及装备连弩对付鲛鱼。
不久秦始皇在晚上梦见与海神交战，海神的形状好像人。大惑不解下邀请某博士解梦，博士指海神一向以大鱼蛟龙作斥侯，一般人是不会梦见海神的，不过秦始皇在祭祀方面对神灵恭敬周到，却出现这种恶神，应当除掉它，然后真正的善神才会迎来。
因此秦始皇应允徐巿的要求，派遣射手捕杀鲛鱼。从琅琊向北直到荣成山（今山东省荣成市），都不曾遇见鲛鱼，直到到达之罘（今山东省烟台市芝罘区）的时候，才射杀了一头大鱼，接着又沿海向西进发。不过徐巿已经失去踪影，秦始皇盼望得到的长生不老药，也始终没有到手。
沿着山东半岛沿岸绕行，秦始皇在抵逹黄河下游的平原津（今山东省德州市平原县）时，突发重病倒下。群臣知道秦始皇忌讳死一字，因此不敢将死字挂在嘴边，但秦始皇的病情仍没有好转。
秦始皇知道自己时日无多，故命人写了一封盖上御印的信，给当时正在上郡（今陕西榆林附近）监视蒙恬部队的长子扶苏，命扶苏回咸阳参与丧事，但是这封遗书却存放在中车府令兼掌印玺事务赵高的办公处，没有送达扶苏手上。
公元前220年（秦始皇三十七年七月），秦始皇在沙丘平台（今河北省邢台市平乡县）逝世，巧合的是，秦始皇的出生地点与逝世地点，仅相距一百多公里。
秦始皇统一六国后，先后进行5次大规模的巡游，在名山胜地刻石记功，炫耀声威。始皇三十七年（前220年），秦始皇最后一次巡游返至平原津得病。秋七月，行至沙丘平台，秦始皇驾崩，终年五十岁。
《史记秦始皇本纪》这一段的记述：出游，三十七年十月癸丑，始皇出游。；去世，七月丙寅，始皇崩於沙丘平台。，秦历是以夏历十月作为一年的开始，此年七月丙子朔，无丙寅日。
丞相李斯恐天下有变，乃秘不发丧，棺载轀凉车中。所至，百官奏事如故，宦者辄从车中可其奏事，独胡亥、赵高及宦者五六人知。诈为丞相李斯受始皇遗诏於沙丘，立子胡亥为太子。更为书赐公子扶苏、蒙恬，赐死。是为沙丘之变。此年七月丙子朔，无丙寅日，八月丙午朔，有丙寅日。八月丙寅（前220年9月20日）从直道至咸阳，发丧。太子胡亥袭位，为二世皇帝，天下始知秦始皇驾崩。
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