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。历代诸多史学家都认为子婴对秦朝的灭亡没有责任，称他即位时已无力回天，然而，他们忽视了最重要的一点，即子婴本可退守巴蜀或陇西。
从公元前207年的天下大局来看，经过三年的反秦战争，各地起事的反秦武装形成了具有代表性的八大军事集团：以楚怀王为首的旧楚国贵族集团，他们只满足于形式上的天下共主地位，如同东周时期的周王室；以项羽为首的新楚国军事集团，他们以恢复秦统一前的列国割据为奋斗目标。
刘邦所率领的新兴军事集团，他们的近期目标是“王关中”；其余的赵国、魏国、齐国、燕国、韩国军事集团都只求据地自保以延续各自国家的香火。可以想象，在“春秋战国”模式下，天下诸侯间很快将出现内斗。
