蒙恬的先人是齐国人。蒙恬的祖父蒙骜，事奉秦昭王，官职做到上卿。秦庄襄王元年，蒙骜作为秦将，讨伐韩国，夺取了成皋、荥阳，占据了三川郡。第二年，蒙骜攻取赵国，夺下三十七个城池。秦始皇三年，蒙骜进攻韩国，又取下十三个城邑。五年，他进攻魏国，夺取二十座城邑，占据东郡。始皇七年，蒙骜死了。他的儿子名叫武，武的儿子是蒙恬。蒙恬精通狱法，做了狱官。始皇二十三年蒙武是秦国裨将军，与王翦进攻楚国，大破楚军，杀了项燕。二十四年，蒙武攻取楚国，虏获楚王。
始皇二十六年，蒙恬因为这种家世得以当上秦将，去讨伐齐国，大破齐军，被始皇拜为内史。秦国已并吞天下，就派蒙恬率领三十万大军向北，驱逐戎、狄，收取黄河河套以南。秦始皇为巩固北方边防、防止匈奴入侵，下令蒙恬把原来燕、赵和秦的长城连接起来。蒙恬借地势之险，设置要塞，连接三国旧城，又向东向西延伸，筑起一道西起临洮、东到辽东的城防，东西万余里。这就是闻名古今中外的万里长城。
蒙恬威震匈奴，秦始皇也很宠爱他，信任他，并提拔他的弟弟蒙毅为上卿。蒙恬在外手握重兵，蒙毅在内参与秦始皇大事的决策，其他将相没有人敢与他们兄弟相争。
赵高因其父之罪，生下来便受了宫刑。秦始皇听人说他精通狱法，便选拔他做中车府令，并派他教儿子胡亥审案判罪。赵高得以为胡亥出谋划策，胡亥很宠信他。赵高犯了罪秦始皇派蒙毅审问定罪，蒙毅认为应该判死刑。而秦始皇认为赵高办事机敏，就赦免了他，并恢复了他原来的官职。
始皇三十六年(公元前211年)冬十月，秦始皇出游，带着左丞相李斯，小儿子胡亥，以及赵高等。他们一行到九嶷山祭祀了虞舜，又沿长江而下到钱塘，上会稽，又北上至琅蚜，在平原津突然生病。病势越来越重。第二年七月，秦始皇死于沙丘平台。李斯秘不发丧，只有胡亥、赵高等少数几个人知道真相。
赵高怨恨蒙毅，便想趁机除掉蒙氏兄弟和公子扶苏。与李斯密谋后，诈言秦始皇发布诏书，立胡亥为太子，派使者送信给扶苏，说扶苏不能辟地立功、士卒多耗，还上书诽谤，散布不能回朝做太子的怨言；蒙恬知道扶苏的计谋，不报告，不矫正，所以赐扶苏、蒙恬死，将兵权交给王离。
扶苏看了使者带来的书信，大哭一场，要自杀。蒙恬对扶苏说：“皇帝出巡在外，未立太子；使我带三十万大兵守边疆，派你来做监察，这是使天下安定的重任。现在只是来一个使者，怎么知道不是有人搞阴谋欺诈呢?上书弄清真相再死也不晚。”而扶苏却说：“父亲叫我死，怎么能不死，还请示什么?”说完就自杀了。蒙恬没有自杀，被拘禁在阳周。使者回去报告。
胡亥听说扶苏已死，很高兴。便想赦免蒙恬。赵高深感蒙恬不死总是自己的大患。便向胡亥说：“我听说先帝想从诸公子中选举贤明的人立为太子，而蒙毅却多次进谏说‘不行’。如果知道太子您贤明而很久不立，这是不忠啊。依臣之见；不如杀了他。”胡亥听了之后就在蒙毅为秦始皇祈祷山川的代州抓住了他。
秦始皇的丧事到咸阳才办，下葬后，太子胡亥立为二世皇帝，由于赵高亲近二世，便日夜毁谤蒙氏兄弟，想制他们于死地。
子婴进谏说：“现在蒙氏兄弟，是秦国的大臣谋士，可是您却想一天之内都丢弃他们，我认为不可以这么做。我听说轻虑者不可以治理国家，独智者不可以当君王。诛杀忠臣而树立无德之人，对内使群臣不相信君王，对外使斗士的心相离。我认为万万不可以这么做!”
胡亥不听，却派御史曲宫传令到代州，命令蒙毅说：“先帝想立太子而你却非难这件事。现在丞相认为你不忠，罪过殃及宗族。我不忍心，就赐你死，你是很幸运了!你自裁了罢!”蒙毅说：“我不能理解先主的意思，我从年少时就侍奉始皇，一直到他去世，但我不知太子的能力，太子单独去周旋天下，离各公子都很远，这我一点不怀疑。其实先主想举贤明为太子也是多年了，我有什么意见敢进谏，有什么顾虑敢去参谋呢?不是我掩饰自己想逃避死亡，是因为怕连累先主一世的英名，希望曲宫大夫为我考虑，使我了解死罪的真实情况。过去秦穆公杀了三个贤良，昭襄王杀武安君白起，楚平王杀伍奢，吴王夫差杀了伍子胥。这四个君主，都是因为这些重大过失，而失去了人心，让众人唾骂，认为君主不贤明，所以在诸侯中声名狼藉。所以说：‘用仁道治理天下的人不杀无罪者，不惩罚无辜者’，请大夫三思!”使者仍按胡亥的意思，杀了蒙毅。
二世又派使者到阳周，对蒙恬说：“你的罪过太多了，况且你的弟弟有大罪，按法也涉及你。”蒙恬说：“从我的先人起，一直到子孙，功劳可以到秦三世了!现在我率三十万兵，虽然被囚禁，但势力足可以背叛秦，可是我知道人必须守义；不敢辱侮先人的教导，以不忘先主。历史上许多君王都是因用人不当而身亡国灭。所以我认为过失可以改而谏言可以使人警觉。我说这些，并不是为了免于其咎，我以谏而死，也愿意陛下为万民百姓着想。”使者说：“我受诏来执行刑法，却不敢把将军所说的话告诉皇上。”蒙恬感叹道：“我对皇上有什么罪呢?为什么没过错却要死呢?”过了一会，慢慢说；“我的罪是该死啊，北起临洮，东到辽水，西南至海上的万里长城，这其中不是断了好多地脉吗?要没有罪过这就是我蒙恬的罪过了!”于是他吞药自杀而亡。