随后，二世就派了一个名叫曲宫的御史，带着诏令，驰往代郡。曲宫来到代郡，见到蒙毅后，出示诏令道：
先帝的决定是多么的英明睿智，现在朕承受天命继承大位，这是老天爷的意思。可是你从前阻挠先帝，不让册立朕为太子，是何原因？朕认为你蒙蔽圣聪，不尽职守，不是忠臣。本来要灭你全族，朕实在不忍心，只赐你一死，对你的全族来说也算是庆幸了。有什么话说给曲宫听，然后自裁。
蒙毅听罢，恰似当头棒喝，过了老半天才满腔悲愤地辩解道：“假如以前我不能博得先帝的欢心，那么我一直对先帝毕恭毕敬，顺意的蒙幸，直到先帝去世，可以说是最了解先帝的心意了。那时候，先帝从来都没有提起过要立陛下做太子，现在为什么突然说是我阻挠先帝立太子呢？这一定是有人想诬陷我，如果把这个罪名强加到我的头上，这实在是有污先帝的声誉啊！因为先帝最了解他的臣子，我怎能让先帝落一个不识人的坏名声？我究竟犯了何罪？请你明示，这样即使我能为实情而死，也就瞑目了！”曲宫就从怀里取出了另一份帛书让蒙毅看。蒙毅打开一看，原来是赵高写的，大意是：
蒙大人，当初我赵高犯了死罪，是你要我死吧？那个时候你是座上客，我为阶下囚。你不救我，反要害我，你的心为什么如此狠毒？多亏先帝英明才赦免我，恢复了我的职务，没想到我赵高福大命大。现在我是座上客，你是阶下囚，不过皇帝却不赦免你，我也没有办法，你好自为之。
蒙毅看罢，恍然大悟，就大骂赵高道：“原来是这个无耻的小人诬陷我！我当初定他为死罪，是不敢徇私枉法，奉了先帝的诏令依法惩治他。这个奸贼，现在却公报私仇，先帝当初不应该赦免他啊！”蒙毅满腔悲愤地说着。曲宫却在一旁催促他马上自杀。蒙毅就悲痛地说：“我听古训说‘顺意成全，是正道所尊崇的；严刑杀戮，是正道所鄙弃的。’从前秦穆公用子车氏家的三良殉葬，昭襄王杀白起，楚平王杀伍奢，吴王杀伍子胥，这四位君王都是后人唾弃的，所以圣明的君王不应该滥杀无辜，请你回去告诉陛下我说的话。”说完就万分悲痛地接过了曲宫的剑，面朝西方，大叫：“先帝！我来了！”然后自刎而死。
曲宫就回朝向二世报告。二世听说蒙毅死了，心中不忍，就想释放蒙恬将军。赵高得知这一情况，急忙派了一个心腹，来到阳周县提前结果蒙恬性命。
大将军蒙恬关押在阳周县的大牢里，整天伤心落泪，期盼着朝廷前来赦免他。看守监狱的牢卒见大将军十分痛苦，就劝慰道：“大将军为秦国立下了赫赫战功，是秦国的大功臣，过一段时间，朝廷一定会派人来赦免您。”时间不长，秦始皇驾崩的消息就传到了阳周县。蒙恬听到消息，万分震惊。又过了几天，二世继位的消息就传来了。蒙恬此时才明白是怎么回事了，就不停地为扶苏喊冤叫屈。牢卒道：“先帝驾崩，新皇帝即位，朝廷一定会赦免您，大将军应该高兴才对啊？”蒙恬叹气道：“你说错了，先帝若是活着，我一定不会死。现在先帝已经驾崩，胡亥即位，我的死期就到了啊！”牢卒就问为什么。蒙恬回答：“先帝知道我的功劳，不可能杀我。胡亥即位，这一定是赵高的阴谋，因为赵高是胡亥的老师，此人就是易牙、竖刁一类的人物。自古以来，小人得志，君子就要遭殃，这也是上苍安排好的。赵高是奸佞之人，丞相李斯又偏袒用事，说不定他们是同谋，朝廷又缺少以死诤谏的臣子。大秦国完了啊！”蒙恬说完，又想起扶苏临终时伤痛绝望的样子，心中如同刀绞。从此夜夜烦闷，寝食俱废。才几天时间，他的头发和胡须就全白了。
忽然有一天，赵高的使者到了，他见到蒙恬后，大声宣读矫诏说：
蒙将军，你的罪过真是太多了！你不死就是对朕不忠，你的弟弟蒙毅已经畏罪自杀，将军为什么还想不通？你难道要把灾祸带给你的族人吗？现在朕赐你马上自裁，将会保全你的族人，这对将军来说确实是非常幸运的事情。
蒙恬听了使者的话，如同棒喝，就异常悲愤道：“从我的先人到我这一代，都为秦国立下了汗马功劳。我曾经带甲数十万打败北方的匈奴人，现在身体虽然被囚禁，但我蒙恬的声名依然还能威震北方。我开始听到先帝要杀我，就非常怀疑，劝扶苏不要中了奸人的圈套，马上做出重大行动，无非就是仿效鲍叔牙、管夷吾之事，只是想拥立扶苏为帝罢了。可是公子扶苏仁慈善良，死活不听我的劝告啊！他无非是因为不敢忘怀先帝的恩德，也不敢辱没先祖们的名声。现在新皇帝即位了，君臣的名分也已经确定，我怎敢再有二心？我听说古时候，周成王年幼，周公旦披着斗篷处理国政，他身体力行，忠心为国家谋划事务。成王得病的时候，就到河上祷告上苍，代为疾体，并把自己的心声写下来藏在家中。后来有人向成王进谗言，诬告周公旦想要篡夺王位。周成王听信谗言，就想治周公的罪，周公当时无法辩解，只好逃跑。后来周成王在周公旦的家中发现了金藤藏书，看过之后才知道周公旦是一位忠臣，心里十分愧疚，就杀了进谗言的奸人，重新把周公迎接回朝，周朝的江山才得以安定。现在我蒙恬忠心耿耿，对陛下没有二心。只恨赵高这个奸贼，害死了仁慈善良的扶苏，现在又来杀我，我非常痛恨他啊！我听说夏桀王杀死关龙逢，商纣王杀死比干，都是由于亲近小人，远离贤臣才导致国家败亡。我现在虽然要死了，可是‘人之将死，其言也善；鸟之将亡，其鸣也哀。’我一心要给陛下进呈忠言，这样做不是为了乞求陛下赦免我，而是因为仰慕从前的臣子有以死诤谏的风尚啊！所以我请求使者大人，回朝向陛下申诉我的忠诚，我就死而无憾了！”
使者听了这话，非常感动，只好说：“我知道将军的功劳，也知道您是冤枉的，但我不敢向陛下汇报，只能按诏令行事，请大将军见谅啊！”蒙恬见再也无法向新皇帝申辩，就仰天长叹数声，愤怒地吼道：“苍天啊！苍天！我蒙恬有什么罪啊？”然后又低头沉思了半晌，自言自语道：“我有罪！我有罪啊老天爷！我以前率领几十万百姓修建长城，难免开山凿地，斩断了龙脉旺气而获罪于上苍啊！这就是我蒙恬的罪过了！”说完就悲愤地接过使者的剑，绝望地自杀了。
蒙恬死后，使者赶回来向赵高汇报了情况。赵高听说蒙恬死了，非常高兴，立即入朝向二世道：“从阳周县回来的官吏说，蒙恬听说陛下要赦免他，反而觉得悔恨不已，痛哭了一夜，第二天就自杀了。临死时还说他不该在先帝面前说陛下的坏话而有负先帝的知遇之恩。”二世听说蒙恬死了，心里惋惜了老半天，感叹道：“塞上虽有万里长城，但比不上秦国的蒙大将军啊！现在却落得个自杀的下场，这是秦国的巨大损失。”后人就称蒙恬是“塞上长城”。又因蒙恬抵抗的是外来名族，所以他又被后世的人们称为“中华第一民族英雄”。
从此以后，二世就在赵高的怂恿下，开始胡作非为，只顾自己享乐，朝政也一天天混乱起来。后人读史至此，有诗叹道：
防胡兴土木，外宁内先讧。
若得将军在，胜过万里城。
又乾隆皇帝写诗道：
金墉迤逦倚山尖，想象当时守备严。
但拟天骄祛冒顿，那知民怨萃蒙恬。
千秋形胜因循览，万古兴亡取次觇。
自是天心无定向，从来违顺卜黧黔。
另外蒙恬将军率军常年驻扎在边疆，他需要经常向皇帝奏报军情，由于边关战情变化快，文书往来又非常频繁，而条件又极差，经常缺乏书写的工具。情急之下，蒙恬就把自己头盔上的红缨纠下来绑在竹竿上蘸着颜色写字，此后就如法炮制，制作了许多能写字的工具。又因为北方的狼多羊多，士兵们就把狼毛和羊毛制成了笔头，这就是后来狼毫笔和羊毫笔的前身。根据《归安杂录》(“归安”，古县名，在今浙江省湖州市)记载，蒙恬的夫人卜香莲就是浙江湖州善琏村人。蒙恬遇难后，卜香莲便携幼子蒙颖，回归故里隐居，授乡民以制笔三技。湖州人就尊蒙恬为“笔祖”，尊卜香莲为“笔娘娘”。汉武帝时，还敕令乡绅在善琏村修建“蒙公祠”，每年还要搞祭祀活动。人们又把环绕小镇的河流改为蒙溪，还以“蒙笔生花”、“恬文抒怀”、“蒙氏羊毫”、“香水”、“香块”命为笔名，一直延用至今。
蒙恬墓在今陕西绥德城西大理河畔。蒙恬蒙难后，部下将士无不悲愤痛哭，数万将士就用战袍兜土成墓，状似山丘。清人阎秉庚曾经到过这里，他有感于一代名将的悲惨结局，就题写了《蒙恬墓》一诗道：
春草离离墓道侵，千年塞下此冤沉。
生前造就千枝笔，难写孤臣一片心。