《史记·秦始皇本纪》载：“三十五年，除道，道九原抵云阳，堑山堙谷，直通之。”公元前221年，秦始皇统一中国，为抵御匈奴入侵，命太子扶苏监工，大将蒙恬主持工程，征用了30多万人，从公元前212年至前210年，用了两年半时间，修筑了从今陕西淳化县(秦汉时期称云阳县）铁王乡的梁武帝村至内蒙古包头市九原区麻池古城的道路，“道九原，直抵甘泉，乃使蒙恬通道。自九原抵甘泉，堑山堙谷，千八百里。”因其南北遥遥相对、直线相通，故称“直道”；又因道路宽阔平坦，能适应大队人马快速驰援，亦称“驰道”。
与常规道路沿河谷选线不同，秦直道的设计者巧妙地利用了陕甘交界处的子午岭，以及陕北、陇东及内蒙古南部黄土高原特有的地形地貌，建成了中国古代唯一沿山脊和高地选线的交通大道。修筑时，多采取“堑山堙谷直通之”的方法。“堑山”就是将道路选址在山峰略低一点的位置，将路以上的山峰削去一部分，然后再在路下山坡填土，夯筑一段护坡，再夯出道路。“堙谷”则是在两座山峰之间的谷底填筑大量土方，夯筑以后形成路面。遇到更高的山峰，采用“之”字形盘山路的方法修路，增加路面长度减小坡度。在陕西省甘泉县洛河上发现了秦直道过河的“圣马桥”引桥，引桥高出地面约20余米，能清晰地看到夯土层，每层厚0.1-0.12米，看来当时是用小圆木作夹板，每层土厚相当于小圆木的直径；引桥上面宽约30米左右，和山梁上直道路基的宽度相近；这是秦直道上残留的唯一的桥梁遗迹，桥以“圣马”命名，应是因为秦始皇的兵车、战马当年所经过而得名。洛河引桥桥墩残存桥基宽82米，顶宽44米，高72米，长56米。2004年，该段秦直道被国务院公布为全国重点文物保护单位，正向联合国教科文组织准备审报世界文化遗产。
古人筑路没有压路机，想把道路修得平整，只能将土夯平，夯土技术秦朝以前就有了，就是对土进行加工，让土达到一定密度，再用来建造道路、城墙、陵墓、宫殿等，例如阿房宫、长城等。按照程序，工匠们在秦直道上铺设了三层土，一层原生土；一层熟土；最后一层是经过加固的熟土层，又用硪对熟土进行多层次加固，使土层的密度加大，土层之间几乎没有缝隙。另外，还在熟土中掺进盐、碱，这样修筑的道路，坚固平整，野草更无法生长。秦直道“千年不长草”是很多因素作用的结果，其位于沙漠和黄土路段，这种地形地貌本来就不易于植物生长。而所用的泥土为“熟土”，其中的盐碱物质可以抑制植物生长。修建完成后一直在使用，直到清朝才逐渐荒废，常年人走马踏，自然就没有长草的机会了。陕西境内发现的秦直道遗迹有498公里，其中延安市富县段就达125公里，路面一般宽度30-40米，最宽处达58米，相当于现在的高速公路宽度的两倍，也是遗迹保护最好的一段，更是秦直道遗存的精华段落。
秦直道由南向北穿越山脊、森林、黄土高原、戈壁…，途经陕西省的淳化、旬邑、黄陵、富县、甘泉、志丹、安塞、子长、榆林，内蒙古自治区的乌审旗、伊金霍洛旗、康巴什区、东胜区、达拉特旗和包头市九原区等，全长700多公里，路面最宽处60米，一般也有20米，“道广五十步，三丈而树，厚筑其外，隐以金椎，树以青松。”当时就非常注重道路的通行、保养和绿化问题。沿途还建有附属建筑，如：烽火台、宫殿、兵站、哨卡、夯土护坡、排水沟、驿站等。夯土护坡和排水沟保障了道路的稳固和干燥，使秦直道更加平坦耐用；烽火台、哨卡和驿站等，是特别为秦直道的军事功能设计的。这些设施为传递军情、抵御外侵、巩固边防提供了便捷。
秦直道是一条与长城相互补充的交通路线，用来运输军队和军用物资，具有重要的战略地位。秦直道修建在鄂尔多斯草原中，特别是还行进在子午岭主脉上，居高临下，对其两侧的河谷大道有扼控作用，在防御匈奴和北方少数民族入侵中具有重要的军事地位。对于南北政令统一、经济开发和文化交流，也起到极为重要的作用。秦始皇时代在“北边”“南海”两个方向的拓展，使得中原文化影响空前扩张。特别是长城防线，因秦直道而得到内地的直接支持。秦始皇巡游途中去世，秘不发丧，“行从直道至咸阳”，赵高、李斯、胡亥等护送秦始皇柩车经行秦直道回归咸阳“銮舆风过鲍鱼腥”，“太子胡亥袭位，为二世皇帝”，说明这条道路已经具备可以通行帝王乘舆的规格。秦直道工程量非常浩巨而工期短暂，体现了秦帝国超常的行政效率，可以看作是秦政的纪念。《史记·蒙恬列传》中，司马迁记录了亲身行历秦直道的体验：“太史公曰：吾适北边，自直道归，行观蒙恬所为秦筑长城亭障，堑山堙谷，通直道，固轻百姓力矣！”。
“战争是一种人类交往的行为。”随着秦直道的军事战略功能逐渐淡化，它的交通运输功能开始凸显。漫长的秦直道上，驿站两边出现了商铺，形成了小镇，逐渐变成了一条南北贸易往来的重要通道，茶商、瓷器商、丝绸商等各种商人活跃，为各民族交往交流起到了重要的作用。秦直道是秦帝国继万里长城之后的第二大国防工程，被称为“古代世界交通明珠”，比世界最早的高速公路（波恩至科隆的高速公路）早2124年，比著名的罗马大道宽3～8倍，长15倍，是世界公路的鼻祖。
