当年九月，赵高让子婴先行斋戒，然后再到宗庙拜见祖先，接受传国玉玺。斋戒了五天之后，子婴对他的两个儿子及心腹韩谈说：“赵高杀害了二世皇帝，他害怕群臣诛杀他，才假模假样来扶立我。我听说赵高已与楚国订立盟约，屠杀秦宗室以后由他在关中称王。如今让我斋戒后去宗庙，正是想借机杀我。我如果称病不去，他一定亲自前来，他一来我们就杀了他。”赵高多次派人来请子婴去宗庙，子婴都不起行，赵高只得亲自来请。按照预定计划，子婴命韩谈刺杀了赵高，随后在咸阳当众灭了赵高三族。

纵观历史，子婴巧计杀赵高同崇祯灭魏忠贤颇为相似，不仅如此，这两位君主以后的表现也如出一辙：前明后昏，都成了各自王朝的掘墓人。

子婴诛杀赵高之际，项羽、刘邦两支大军正从东、南两面逼近秦都咸阳，于是子婴派兵据守峣关，抵御东方起义军。没料到，刘邦采纳张良的建议，一面派遣郦食其、陆贾游说守关将领，用重利引诱他们投降，使他们放松了防务;一面又命军士悄悄绕过峣关，从背后偷袭秦军。刘邦大军占领峣关后继续北进，在蓝田南一战中取得重大胜利，秦军溃退至蓝田以北。刘邦一边“益张疑兵旗帜”，制造声势，一边重申军纪，受到秦地百姓的欢迎。秦军懈怠之时，起义军连续猛攻，再获全胜，全歼蓝田秦军。至此，咸阳附近秦军的最后一点有生力量也损失殆尽，子婴手中再也没有什么力量能阻止刘邦夺取咸阳了。

公元前206年十月，刘邦大军进抵灞上，距咸阳只有百里之遥。子婴守着一座庞大的都城，既无可战之兵，又无可守之险，只得接受刘邦的“约降”条件，下令秦残余部队停止抵抗。他自己则“素车白马，系颈以组，封皇帝玺符节，降轵道旁”，恭恭敬敬地向刘邦投降。秦朝在子婴投降的这一刻正式灭亡，子婴也只当了46天秦王。

子婴投降刘邦之后，以樊哙为首的一批将领提议杀掉这个亡国之君，但刘邦不同意这样做，说：“始怀王遣我，固以能宽容，且人已降服，又杀之，不祥。”他命人将子婴一干人等看押起来，待以后再作处理。然而，作为亡国之君的子婴终究未能在乱世中苟全性命。

一个多月后，项羽也率大军抵达关中，刘邦部将曹无伤向项羽谎报称，刘邦将自立为关中王，以子婴为丞相，结果项羽设下鸿门宴。鸿门宴之后没几天，项羽指挥自己的军队开进不设防的秦都咸阳，处死子婴，纵兵屠杀咸阳无辜百姓，大肆劫掠宫中和民间财物，随后放火焚烧秦宫室和官府，熊熊大火长达三月不熄。