刘邦义军最先进入关中，子婴遂派将领率兵至峣关抵御，刘邦依张良之计，带军绕过峣关，越过蒉山，在蓝田一带两度大败秦军。公元前206年10月，进入武关，到达灞上后派人劝子婴投降。子婴遂与妻子用绳自缚，坐上由白马拉的白车，身着死者葬礼所穿的白衣，并携带皇帝御用的玉玺和兵符，到刘邦军前投降。
樊哙主张诛杀子婴。但刘邦不许。他认为，楚怀王命我西征，是看中我心存仁慈，何况秦王已经投降，杀之不祥。乃饶子婴不死，把他交给随行的吏员看管。子婴一行随楚差到达项羽大营，只见甲士阵列，金戈耀日，阴气森森。项羽跃马上前直视子婴，只见其素练缠头，缟衣委地，三绳系身，口含钦表。
项羽看罢表文，厉声对子婴道：“尔祖赢政，掳六国子孙，害天下百姓，遗患于汝，汝今还有何话说？”子婴一听此言，知自己必死无疑，此时他毫无惧色，平静地对项羽说：“废关东六国，此乃吾祖始皇帝所为，非臣之罪。陛下必欲杀臣，臣亦无怨。只是咸阳百姓遭二世荼毒，已是不堪水火。”
“今大王入关，咸阳百姓已获重见天日，大王就杀臣以雪天下之恨，唯望保存咸阳百姓，以服天下之心，臣虽死无憾，大王威德兼尽矣。”子婴话声一落，项羽就喝令英布动手，英布一剑刺死子婴。项羽同时下令：进军咸阳，屠城！范增急奔至项羽前阻挡说：“不可不可，刘邦入关秋毫无犯，今杀子婴已是群情汹汹，若再屠咸阳，民心尽失，天下不可图也。”
项羽道：“我今率天下诸侯共伐暴秦，子婴是暴秦之王，为何不能杀？咸阳百姓齐声毁我，即为聚众叛逆，任其存留必为后患”。另外，关于秦三世子婴的身世，因其本身年代久远，同时秦三世子婴仅在位46天，对于他的就相对来说少些，甚至连他的身世都无从考究。对于秦三世子婴的身世现在学界中有不同的声音，那么，秦三世和秦二世是什么关系？
