而此时刘邦和项羽的大军正在朝咸阳推进，刘邦大军比项羽的军队要抢先一步进入关中。子婴派将领率兵到峣关抵御刘邦大军，但是刘邦带领军队绕过了峣关，转而又越过了蒉山，在蓝田一带两度大败秦军。于是公元前206年十月，刘邦大军进入武关，在到达灞上后他便派人劝子婴投降。子婴此时已经别无他法，为了咸阳城的百姓以及自己的家人，他只能同意投降。于是子婴就让妻子用绳子绑了自己，然后再坐上由白马驾驶的白色马车，穿着死者葬礼所穿的装束，携同皇帝的御用之物玉玺和兵符，在轵道亲自去向刘邦投降。
秦朝就在子婴投降的那一刻宣告灭亡，子婴是当了46 天秦王，也是大秦最后一位君王。樊哙提议杀了子婴，可是刘邦并没有同意，而是把子婴交给随行的吏员看管。一个多月后，项羽亦率领大军到达关中。刘邦的部将曹无伤向项羽称刘邦将以子婴为相而自立为关中王，结果项羽设下了鸿门宴。项羽入咸阳城后，立刻杀死子婴，并进行了大屠杀及纵火。
项羽是楚国人，他的祖父以及叔父的死都和秦军有关，楚国又是被秦国灭国的，所以项羽对秦朝是极为愤恨的。当他踏进秦国的时候，见到了秦国皇室中的人，怎么可能不杀了他们来泄愤呢？