假托生病，不理朝政，赵高数次派人来请子婴，子婴不去，赵高果然亲自前往子婴所在的斋宫，说：“朝见宗庙有关国事，君王为什么不去？”趁此机会，韩谈刺死赵高，并诛灭赵高三族，在咸阳城内示众。
刘邦率大军攻破武关，攻下峣关，兵临咸阳，屯兵灞上时，派人劝子婴投降。此时，群臣百官也都背叛秦朝而投降刘邦，子婴眼看大势已去，便和妻子、儿子们用绳子绑缚自己，坐上由白马拉着的车，身着死者葬礼所穿的白色装束，并携带皇帝御用的玉玺、兵符等物，从轵道亲自到刘邦军前投降，秦朝灭亡，子婴共在位仅四十六天。
子婴投降后，樊哙提议杀死子婴，但刘邦没有同意，而是把他交给随行的吏员看管。其间，刘邦部署在关中称王的事宜，曾想让子婴担任国相，一个多月后，项羽率领大军进入咸阳后，立刻杀死子婴，纵火焚烧秦宫室，并进行大屠杀，秦朝历代之积累至此不复存在。