蒙恬的祖先是齊國人，他的祖父叫蒙驁，曾從齊國來到秦國侍奉秦昭王，官位一直提升到上卿。蒙恬的弟弟叫蒙毅。
由於出身將門，秦始皇二十六年那年，蒙恬被秦始皇任命為大將，率兵攻打齊國，大敗了對方，班師回朝後被任命為內史。當時的秦國已經兼並了天下，但北方邊境仍然不安定。秦王便派蒙恬率領三十萬大軍，北上驅逐了戎族和狄族等少數民族部落，收複了黃河以南的大片土地。然而，由於秦朝與北方少數民族居住的地區沒有天然的屏障，即使少數民族的軍隊暫時被打敗了，襲擊秦朝的可能性依然存在。蒙恬據此認為，必須修築一條堅固的城牆，以保護秦朝不受北方各少數民族軍隊的滋擾，秦始皇同意了他的建議。
蒙恬便奉命負責修築這道俗稱長城的城牆。長城充分利用了實際的地形山勢，利用了當地的建築材料，動用大量民工，終於完成了人類曆史上的巨大工程。長城西起臨洮（今甘肅省岷縣），東到遼東，綿延達一萬多裏。長城控製了許多險要的關塞，使得北方少數民族軍隊無法輕易來犯。為了修築長城，蒙恬有十多年時間駐守在北方，威名響徹北方各少數民族部落，從而有效地保證了秦朝的安全。
正是由於擁有蒙恬非凡的軍功，秦始皇非常尊重和信任蒙恬以及同樣立下軍功的蒙毅。蒙毅的職位也升至上卿。蒙恬兄弟可以在外出時，陪皇帝乘坐同一輛馬車，在朝廷上則侍奉在皇帝的最身邊。每當蒙恬有軍事任務需要外出，蒙毅就在朝中擔綱謀臣的角色，被人稱為忠信大臣。這樣顯赫的地位，朝廷中任何將相都不能與他們兄弟相比。
趙高是趙國王族中被疏遠了的親屬。秦始皇聽說趙高才華出眾，精通刑令法律，便任命他為中車府令。有一段時間，秦始皇疏遠了趙高，認為趙高犯下了罪錯，讓蒙毅依法懲處他。蒙毅按照法律判處趙高死刑，剝奪了他的官職，但後來，秦始皇又以趙高辦事認真為由，赦免了趙高，還恢複了他的官職和爵位。
秦始皇在巡視天下時病逝，趙高想讓胡亥繼位，還想報複曾被蒙毅懲處的仇恨，便與公子胡亥、丞相李斯謀劃，擁立胡亥為太子，還給偽造了一封秦始皇致扶蘇的信，派使者送給在外戍邊的扶蘇。信中指責扶蘇征戰無果，無端怨恨父王，對父王不孝，並賜劍逼他自殺。扶蘇自殺後，蒙恬也被趙高手下的人囚禁了起來，並被免除了職務。蒙恬對秦始皇遺詔和信件的真實性有懷疑，請求搞清事實真相，但遭趙高拒絕。胡亥後來想釋放蒙恬，趙高生怕蒙氏兄弟重新顯貴，威勢壓過自己，便繼續在秦二世麵前抵毀他們。胡亥於是把蒙恬囚禁在陽周（），蒙毅則囚禁在代地。而趙高忙著搜羅蒙氏兄弟的所謂罪行，經常在胡亥麵前誹謗他們，準備置他們於死地。
胡亥登基為秦二世之後，太子子嬰勸諫父親，說：“蒙氏兄弟是秦朝的大臣和謀士，而您現在一直想拋棄他們，這恐怕不妥。我聽說不會思考的人不能有效地治理國家，不會聽取眾人意見的人不能保全自己的君主之位。誅殺忠臣而任用無德無行的人，將導致群臣之間互相猜忌，將士鬥誌渙散，後果不堪設想。”可惜，如此一番忠言仍被秦二世棄置腦後，在趙高的挑唆下，秦二世派使者前往代地，先誣陷了蒙毅一通，然後逼他自殺。蒙毅用嚴厲的言辭予以回敬，說“用道義治國的君主不應該殺害無辜的人，嚴明的刑罰不應該加在無罪者的頭上”，不願自殺。使者早已領會秦二世的旨意，見蒙毅拒絕自殺，便殺死了他。
秦二世又派使者前往陽周，對蒙恬說：“您的過錯實在太大了，何況您弟弟蒙毅的罪也牽連到您，看來您必有一死。”蒙恬以悲憤的口吻回顧了從祖先到自己三代人對秦朝的貢獻，表明了自己一直忠於秦朝的心跡，闡明了自己從未有過重大罪錯的事實。蒙恬的話讓使者感動，但使者無奈地說：“我隻是受命前來對您執行刑法的，實在不敢把您的話轉告給皇上啊！”蒙恬聽了，深深歎息：“我對皇上可是沒有罪錯的呀，沒有罪錯怎麼還要死呢？”過了一會兒，他又慢吞吞地說：“或許我真有罪過，早就應該死了。比如由我主持修築的那道萬裏長城，從臨洮一直到遼東，築城牆，挖壕溝，長達一萬多裏。是不是，我已在無意中切斷了地脈了呢，上天才這樣懲罰我？”這當然是蒙恬絕望中的想象了。然後，蒙恬便吞毒藥自殺。
蒙恬死了，但由他主持修築的萬裏長城依然屹立著，他的赫赫軍功也被世人一直傳誦著。