使者把蒙恬交给了官吏，派李斯等人来代替蒙恬掌兵，把蒙恬囚禁在陕西安定县北的阳周。胡亥杀死扶苏后，便想释放蒙恬。他的儿子，也就是后来的秦三世子婴也力保蒙氏兄弟。但是，奸臣赵高深恐蒙氏再次得宠执政，对己不利，执意要消灭蒙氏。
他便散布在立太子问题上，蒙毅曾在秦始皇面前毁谤胡亥。胡亥信以为真，于是先杀死了蒙毅，又派人前往阳周去杀蒙恬。使者对蒙恬说：“你罪过太多，况且蒙毅当死，连坐于你。”蒙恬说：“自我先人直到子孙，为秦国出生入死已有三代。我统领着30万大军，虽然身遭囚禁，可我的势力足以背叛。但我知道，我应守义而死。我之所以这样做是不敢辱没先人的教诲，不敢忘记先主的恩情，请您将此言转呈皇帝。”
使者说：“我只是受诏来处死你，不敢把将军的话传报皇上。”蒙恬长叹道：“我怎么得罪了上天?竟无罪而被处死?”沉默良久又说：“我的罪过本该受死，起临洮，到辽东筑长城，挖沟渠一万余里，这其间不可能没有挖断地脉，这便是我的罪过呀!”于是吞药自杀。
公元前210年，蒙恬含冤死后，部下将士无不悲愤痛切，将其遗体葬于陕西绥德城西大理河畔，数万将士用战袍兜土成墓，状似山丘。清人阎秉庚有感于此，题诗曰：
“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。”
