這下，擺在趙高麵前隻有兩條路，一是如要進入秦宮最高機構，必先引刀自宮；二是珍惜身體，繼續安享悠閑生活。為了報仇，趙高選擇了第一條路！
接下來的20年裏，趙高充分利用自己的能力和對秦始皇表麵上的無限忠誠，坐上了宦官之首的位置。
這段曆史記載在清代趙翼所著的《陔餘叢考》卷四十一（《趙高誌在複仇》中：
高本趙諸公子，痛其國為秦所滅，誓欲報仇……卒至殺秦子孫而亡其天下。則高以勾踐事吳之心，為張良報韓之舉，此又世論所及者也。
此外，趙高與蒙恬、蒙毅兄弟有宿怨。據說，趙高曾犯大罪，蒙毅按律定罪，判其死刑，後因秦始皇過問方得赦免。當時，蒙恬威震匈奴，蒙毅位至上卿，一為武將任外事，一為文臣主內謀，不僅深得秦始皇信任，還為公子扶蘇所倚重。一旦扶蘇即位，蒙氏兄弟的地位必將更加鞏固。因此，趙高對蒙氏兄弟既恨又怕，如要擺脫來自蒙氏兄弟的威脅，必須設法阻止扶蘇即位。這樣，趙高惟有投靠秦始皇最寵愛的第十八子胡亥，因為胡亥是除扶蘇外最有可能繼承皇位的人。以胡亥來對抗扶蘇，這是趙高蓄謀已久的。為了自身的利益，他時刻都在尋機除掉扶蘇和蒙氏兄弟。
始皇在沙丘養病，給趙高提供了一個謀殺的機會。秦始皇病重後的詔書已經擺明了是想要扶蘇繼位。趙高明白，此事有關自己的生死榮辱，須當機立斷。當時秦始皇身邊僅丞相李斯在側，而李斯私心重，容易控製，其他侍從均是趙高安插的同黨。還有，以趙高當時的處境看，也隻能出此一招，別無選擇。
秦始皇這次出巡，上卿蒙毅也在隨行之列。蒙毅是蒙恬的親弟弟，為皇帝的親信，可是當秦始皇在途中病重時，蒙毅被遣“還禱山川”。這可能是趙高的計謀。因蒙恬當時正領兵30萬隨公子扶蘇駐防上郡，從秦始皇的身邊遣走蒙毅，也就是去掉了扶蘇的耳目；加之趙高曾被蒙毅治罪而判死刑，後因秦始皇赦免，趙高才恢複官爵，趙高對蒙毅恨之入骨，發誓要滅掉蒙氏一族。
趙高遣走蒙毅，也為自己後來計謀的實施清掉了一個絆腳石。
秦始皇口授詔書給扶蘇時，趙高參與其事。詔書封好後，趙高卻扣壓未發，欲找機會說服胡亥和李斯，矯詔殺扶蘇。但詔書不能扣壓太久，萬一始皇病情有起色，得知詔書未發，趙高就獲死罪。萬一秦始皇彌留不死，李斯又未被說服，反而向秦始皇告發，趙高也要被殺頭。所以，隻有在勸說李斯之前殺了始皇，才能萬無一失。始皇一死，就不怕李斯不就範，也不會有人追問詔書的事了。可見，趙高在扣壓詔書的一刻起，就如同箭在弦上，不得不發了。
秦始皇之死，疑雲重重，連司馬遷也不能輕下定論。在《史記·李斯列傳》中，司馬遷借趙高之口說道：“沙丘之謀，諸公子及大臣皆疑焉”。
然而秦始皇真的是死於趙高之手嗎？從情理上分析，趙高弑君的可能性與必然性都存在，而秦始皇是自然死亡的可能性更大。
曆史上的秦始皇並不像有些人說的那樣身強力壯，從史籍中對他相貌的記載我們就可以看出來：“蜂準”、“摯鳥膺”、“豺聲”，這就是說秦始皇長著馬鞍形的鼻梁、雞胸脯、還有嚴重的氣管炎，這些都是在當時來說足以致命的疾病，所以體質較弱。他在生活上荒淫無度，為人又剛慎自用，事無巨細都要親自裁決；每日批閱文書120公斤，工作極度勞累；加上出巡中七月高溫，以上諸因素並發，促使他在途中生病，導致暴死。
至於荊軻刺秦時，秦始皇表現不俗，也可以給予合理的解釋。當時的他年僅34歲，正是春秋鼎盛之時，再加上人在危急之中，往往會激發出身體的潛能。就如同前些年被媒體炒得沸沸揚揚的母親救子事件：當小孩在六層樓的窗口落下時，做母親的從100多米外衝到小孩將要摔到的地方，牢牢地接住了孩子，事後再重複這一動作，卻怎麼也做不到了。當時的秦始皇和這位母親的處境一樣，更何況還是為了自己的性命！
秦始皇沙丘駕崩時確實是年僅5l歲，按現在的平均壽命來說，51歲正是壯年時期，談老是會被人笑話的；但在那個醫療條件極其替下的時代，5l歲可以說是高齡了。據統計，當時的人們平均壽命隻有40來歲（自然死亡）而已。另外，中國曆代皇帝的平均壽命分別是：秦朝帝王36．5歲；漢朝帝王37．1歲；晉朝、南朝（宋、齊、梁、陳）帝王37歲；隋唐五代帝王47．7歲；宋元帝王46．5歲；明清帝王46．5歲；換句話說，我國自秦朝到清朝的帝王平均壽命隻有39歲！而秦始皇51歲崩逝，已經高出這個平均值了。綜以上因素來看，秦始皇自然死亡之說也是在情理之中的。