秦始皇的前三次巡游在时间安排上非常紧密，但第三次巡游回到咸阳后，不知是否因为国事繁忙，或是由于在古博浪沙“为盗所惊”，抑或因连续两次寻仙求药都一无所得的缘故，有两整年，皇帝都没有安排出巡的活动。这段时间在《史记·秦始皇本纪》中也是寥寥数笔，公元前217年，一年“无事”；公元前216年，皇帝将“腊月”改名为“嘉平”，赐了百姓米、羊，然后在夜巡咸阳时，于兰池大道上遇盗，击盗。
到了公元前215年，秦始皇才开始他人生中第四次巡游，这次他改变了东巡的路线，将目标确定为帝国的东北及北方的边塞，他选定的第一个巡行目标是渤海之滨的碣石。皇帝车队由咸阳出发，经原韩、魏、赵、齐等国及黄河所经过的地方，一路向渤海之滨驶去。关于秦始皇东临碣石的出处有两种说法，一说碣石在辽宁绥中，一说认为碣石在河北昌黎。20世纪80年代，考古工作者在秦皇岛市山海关区附近发掘出了秦汉时期大型高台观海建筑遗址以及草云纹瓦当，证实了河北昌黎正是秦汉时期的碣石。
秦始皇巡游碣石的目的依然是寻仙访药。《史记·秦始皇本纪》记载：“三十二年，始皇之碣石，使燕人卢生求羡门、高誓。刻碣石门。”燕齐之地自燕昭王时期就不断有入海寻仙之说，方士众多，秦始皇在齐地多次接见徐福和齐地方士，然而齐方士长久以来无佳音，因此难免产生到神仙、方士传说最多的燕地巡视的想法。在地点选择上，秦始皇之所以选择碣石，一是因为燕地方士众多；一是碣石地形颇有些“仙风道骨”之气。《尚书·禹贡》篇中曾简单描写了碣石的地形：“冀州，岛夷皮服，夹右碣石，入于河。”“导岍及岐……太行、恒山，至于碣石，入于海。”由山行走势来看，古人认为碣石山是一座与太行、恒山两座大山脉络相连、形势相应的山峰，而太行、恒山在古代文化中与神仙传说紧密相连，这从太行山又叫女娲山、王母山就可以看出。而在这座山峰周边又有以“鸟”为图腾，以兽皮为服的部落或民族，人们由水路或陆路行进时，抬头远望，必然能望见碣石山，这些事实无不增加了碣石与仙人的联系。秦始皇求仙访药心切，听闻充满魔力的碣石山，如何能不动心呢？
在渤海之滨的碣石，秦始皇接见了卢生等方士，“使燕人卢生求羡门、高誓”，卢生是燕地的一名方士，而“羡门”、“高誓”都是传说中的“古仙人”，可见，寻仙访药仍是秦始皇此次巡游的目的之一。
秦始皇身为一个一统六国，拥有雄才大略的帝王，为什么对寻仙访药这种在我们看来不可能的事情如此尽心，不惜花费巨额的人力、物力？不仅给方士徐福千人童男、童女以助其海上寻仙，还听信方士之言，大修土木，难道他没有怀疑过吗？
事实上，秦始皇是怀疑过的。《史记·封禅书》记载：“后三年，游碣石，考入海方士。”原因当然是疑心方士的“海上有仙”说法有诈。历考的方士提到了卢生、韩终、侯生、石生，未提及徐福，但其实徐福也是参“考”的，只不过古人行文，多次提及的人，在很多地方伴驾名字省略了。这次“考”方士的事件似乎并没有让方士们露出马脚，他们依然为秦始皇构筑了“海上有仙人”和“不老之药”的梦想，使得秦始皇在以后的日子始终对此念念不忘。
世界上最完美的谎言，就是说谎者自己也相信那谎言是真实的。方士的海上有仙人的谎言不一定是有心为之，与当时的地理环境、人们认识皆有关联。齐燕两国近海，海滨之上天海一色，举目无边，常常带给人以遐想，而海市蜃楼的出现，在带给人们遐思的同时，太过于真实的情景也令人难以理解，受到认识限制的人们难免会认为海上缥缈的海市蜃楼是真的，方士就是相信海市蜃楼是真实的一群人。方士有博闻的特点，用海市蜃楼和“传说”的事实，来劝服秦始皇，并不是难事。此外，秦始皇刚愎自用、以刑杀为威的行事特点，也使得他身边的有识之士不敢违逆皇帝的意思，且神鬼之说向来无法言说，这些都使得秦始皇在寻仙求药这条路上越走越远。
大概由于这次考核并没有让秦始皇看出方士“有诈”，因此寻仙访药之事继续进行。秦始皇命卢生、韩终、侯生、石生等人再次出海，以求仙人不死之药。其结果可想而知，并由此引出历史上最著名的两大事件来，这是后话。
尽管秦始皇第四次巡游主要目的是寻仙访药，但也不妨碍他沿途巡察。由于这次是沿着黄河沿岸行进，秦始皇发现了水患问题，下达了“环城郭，决通堤防”的命令，即拆除以前各诸侯修筑的旧城墙，挖掘打通各地之间的河流堤防，使道路畅通，河流通畅。这个举措大大降低了黄河沿岸水患的发生几率，而道路的畅通，也在一定程度上加强了各个地区的交流，提高了生产力。于是，秦始皇便将这个事件以功德的形式，记载到了碣石山上的石刻上，其辞名为《碣石门辞》。秦始皇一生巡游曾在七座山上立石刻文，其他六处均为先立石后刻字，只有碣石是刻于碣石山的“碣石门”上，并表述了此行的特别功绩，他此举是希望敲开求仙之门，还只是临时起意，只能让后人猜测了。
在碣石门刻石颂德之后，秦始皇率臣子沿帝国北部边境继续巡行，先后经过北平郡无终（今河北蓟县）、渔阳郡渔阳（今北京密云西南）、上谷郡沮阳（今河北怀来县），至代郡。此时被派往海上寻仙的卢生归来，并带来了一个有关大秦帝国灭亡的惊天秘密。这个大秘密使得秦始皇没有丝毫耽误，立即经雁门、云中郡回咸阳，从而开始实施了一系列的措施。而秦始皇的第四次巡游也终以卢生带来的“惊天秘密”而结束。
秦始皇于公元前215年巡行北方边境回到咸阳，一连四年没有再出巡外地，直到公元前210年，秦始皇以50岁高龄，再次出咸阳，开始巡游，谁知这一次，他却再也没能清醒着回来。
