公元前219年春天，剛完成統一全國大業的秦始皇在一大隊人馬的前後簇擁下東巡而來。他們過泰山，奔海邊，先到了煙台芝罘島，又到了被稱為“天盡頭”的榮成山角，一路封禅刻石，歌功頌德，然後來到了黃海之濱的瑯玡台。
秦始皇南登琅玡，居高遠望，滄海茫茫，海闊天空，盡收眼前。他指令遷移3萬戶黎民到琅玡台下，然後在琅玡台上封土築台，以便登台觀海。
聽說秦始皇到琅玡台觀海，民間有個叫徐福的方士跑到琅玡台向秦始皇上書，說海中有蓬萊、方丈、瀛洲3座仙山，那裡有仙人居住，須請齋戒之人帶童男童女入海，可以得到長生仙藥。
秦始皇東巡，不僅是為了威儀天下，表功頌德。另一個重要目的就是尋求長生不老的仙丹妙藥。聽徐福一說，秦始皇大為高興，随後他根據徐福的要求，派童男、童女數千人随他出海求取仙藥。秦始皇本人也在此留住，等候徐福佳音。
然而，等來的隻是徐福空手而歸。徐福自稱見到海神，海神以禮物太薄，拒絕給予仙藥。秦始皇對此深信不疑，于是，他又增派童男、童女3000人及工匠、技師、谷物種子，令徐福再度出海。秦始皇在此一直等了3個月後，不見徐福消息，才怅然而回。
在這之後，秦始皇又一次東遊，由芝罘第二次來到琅玡台，但見徐福尋仙求藥還沒有回來，隻得失望而歸。
公元前210年，秦始皇第五次出巡，第三次來到琅琊台，不過這時徐福已經回來了。當年徐福入海尋找仙藥，已經過去9年，一直未來歸報，秦始皇當即派人傳召徐福。
徐福獻計入海尋仙求藥多年未果，白白耗費了許多錢财，恐秦始皇追究他的欺君之罪，于是，他謊稱：“海上神仙是有，但是出海常遇到兇猛的大鲛魚，是以求藥不得。建議派善于射箭的能手一同前往，見大鲛魚就用連發的弓弩射之。”
秦始皇信了徐福的話，并禦駕親征，帶弓箭手和捕大鲛魚的漁具出海，自琅玡起程沿海北上至榮成山，再前行到芝罘時，終于見到了大鲛魚，弓弩齊發，大蛟魚中箭而死，沉入了海底。秦始皇認為此後便可暢通無阻了，于是，他又命徐福入海尋求仙藥。從次，秦始皇再也沒有等到徐福的音訊，那麼徐福究竟到哪裡了呢？
後人多說是日本。唐宋以來，中日交往頻繁。明确提出徐福到日本安居的，是五代後周的義楚和尚。他撰寫的《義楚六帖》中說：
日本國亦名倭國，在東海中。秦時，徐福将五百童男、五百童女止此國，今人物一如長安。……又東北幹餘裡，有山名“富士”亦名“蓬萊”……徐福至此，謂蓬萊，至今子孫皆曰秦氏。
公元928年，日本僧人寬輔在五代後周來中國，即與義楚和尚談及徐福去日本采藥之事。
自此之後，多有稱徐福在日本安居。宋代文學家、史學家歐陽修也認為徐福東渡到日本，他在《日本刀歌》寫道：
傳聞其國居大島，土壤沃饒風俗好，
首先徐福詐秦民，采藥淹留束童老；
百工五種與之居，至今器玩皆精巧，
徐福行時書未焚，逸書百篇今尚存。
該詩寫明了徐福是到了日本的。元代人就知道日本熊野有徐福祠。元代詩人吳萊作《聽客話熊野徐福廟》詩：
大瀛海岸古紀州，山石萬仞插海流。
徐福求仙仍得死，紫芝老盡令人愁。
明代記載徐福東渡日本的書籍很多。明代洪武元年，即1368年，明太祖朱元璋召見日本高僧絕海中津，他們一唱一和各寫了一首詩。絕海中津的詩：
熊野峰前徐福祠，滿山藥草雨餘肥；
隻因海上波濤穩，萬裡好風須早歸。
朱元璋和詩：
熊野峰前血食祠，松根琥珀亦應肥；
當年徐福求仙藥，直到如今更不歸。
詩中寫明日本熊野山前有徐福祠。明人著作中提到徐福到達日本的有陳仁錫《皇明世法錄》，劉仲達《劉氏鴻書》等。清末駐日公使黎庶昌、黃遒憲等人，都參觀了徐福墓，并詩文題記。
20世紀初，中、日、韓3國學者對秦漢史和海上交通史做了大量研究。他們根據地下文物考古資料旁征博引，對徐福東渡日本，基本作了肯定。呂思勉、範文瀾、呂振羽、顧颉剛、楊寬等在著作中都對徐福求仙事作了叙述和評論。馬非百《秦集史》中還為徐福作了傳記。
翦伯贊在《秦漢史》一書中說：
徐福等入海尋三神山，正是當時濱海一帶的商人，企圖打通與日本諸島之商業通路。
曆史學家徐松石（1900年-1999年）在《日本民族的淵源》中說：
戰國先秦時期，中國東南沿海群眾大量往日本移民，徐福率領的童男童女是其中一隊，“徐福入海東行，必定真有其事。”
香港衛挺生（1890-1977）著《徐福入日本建國考》，認為徐福就是日本的開國者神武天皇仲田玄，并認為他是颛顼之後徐駒王29世孫。台灣學者彭雙松著《徐福即是神武天皇》一書，進一步充實衛挺生的觀點。
後來在日本多地有徐福船隊的登陸紀念地、故居及徐福墓，如日本新宮有徐福墓和徐福七弟子紀念碑，日本熊野有徐福祠等。
在日本方面，相當于大陸宋元時代，日本熊野就有了徐福祠、徐福墓。中國南宋的最後一年，即公元1279年，祖元禅師去日本，他獻給徐福墓的詩：
先生采藥未曾回，故國山河幾度埃；
今日一香聊遠寄，老僧亦為避秦來。
日本最早記載徐福傳說的是《神皇正統記》，為公元1339年北親房所撰。在日本的文字記載中，認為徐福東渡到達日本的還有《林羅山文集》《異稱日本傳》《同文通考》等文獻。
江戶時代，相當于中國的明朝末期到滿清末期，國學者、儒醫林下見林在《異稱日本傳》中說：
夷洲、澶州皆日本。相傳紀伊國熊野之山下有徐福墓。熊野新宮東南有蓬萊山，山前有徐福祠。
另外，還有一些日本學者，從曆史文化的角度來研究徐福等人東渡日本的事實，日本學者粟山一周在《日本的阙史時代研究》一書中認為：秦人由北韓半島大舉南下，是以公元前206年為中心。而日本在繩文文化後産生了彌生文化。日本學者金關丈夫認為：繩文時代與彌生時代之間，在文化上存在着顯著變化。伴随着彌生文化的到來，有新的人種移居日本。
學者們認為，徐福東渡，将進步的秦文化，即種植、制陶、養蠶、紡織、建築等等技術傳到了日本，進而促進了日本古代文化的發展，使日本社會走上文明之路，這是不容忽視的事實。徐福的功績，理所當然地受到日本群眾的尊崇與愛戴。
但有些學者認為，徐福東渡日本隻是傳說，找不到可靠的曆史文獻來證明。因為在日本的史書《古事記》《日本書記》中沒有記載。更有人認為，徐福東渡日本的傳說，是日本10世紀左右的産物，并非最先由中國人提出來的。徐福當時到的隻是渤海灣裡的島嶼，他在日本的事迹、遺迹、墓地，均屬後人虛設。
另外，又有學者認為，曆史上确有徐福東渡一事，但徐福不是去了日本，而是去了美洲，因為徐福東渡的時間與美洲瑪雅文明的興起相吻合，而日本與中國大陸相距甚近，根本不需要耗費巨資，數年才能抵達。
有的學者甚至認為當時航海技術落後，徐福船隊碰到大風浪，全部覆沒了。2000多年來，徐福東渡究竟去了哪裡，一直沒有令人信服的答案，依然争論不休。
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