子婴为秦王四十六日，楚将沛公破秦军入武关，遂至霸上，使人约降子婴。子婴即系颈以组，白马素车，奉天子玺符，降轵道旁。
——《史记·秦始皇本纪》
在刘邦因为得知项羽率兵西进而焦虑的同时，武关守将此时也陷入了两难境地，他虽然击退了刘邦的连日猛攻，但由于既无援军也无粮草支援，此时的武关看似坚不可摧，实际上已经是岌岌可危。再加上秦廷的一系列变故，更是让秦军守将对于未来极度悲观。
因此，当郦食其和陆贾表明来意之后，武关守将只经历了短暂的思想斗争，便果断选择了献关投降，刘邦因此得以顺利进入武关。
与此同时，秦廷的变故还在继续。
子婴对于秦二世和赵高的所作所为，早已深恶痛绝，他深知赵高拥立自己，只不过是权宜之计罢了，自己即使继承国君之位，也不过是赵高手中的傀儡而已，对于天下形势毫无改变，秦国依旧难逃灭亡之祸。
为了挽救秦国，子婴在斋戒五天之后，找来自己的两个儿子和亲信宦官韩谈，对他们说道，“丞相赵高在望夷宫杀害秦二世，害怕群臣诛杀他，便假装申张正义立我为王。我听说赵高竟与楚国相约，灭掉秦朝的宗族后在关中称王。如今让我斋戒朝见宗庙，这是想在宗庙趁机杀掉我。若是我装病不去，赵高必定亲自来请，我们不如趁机将其杀死。”子婴之子和宦官韩谈皆表示同意。
按照议程，子婴斋戒完毕后，便应该前往宗庙，拜见祖先。然而，子婴却派人告知赵高，表示自己因为斋戒患病，无法前往宗庙。赵高得知消息，数次派人来请，子婴皆装病不往。
赵高无奈，只好亲自来请。赵高来到子婴所在的斋宫后，对装病的子婴说道，“朝见宗庙乃国家大事，君王为何不去？”
还不等子婴回答，侍立一旁的宦官韩谈，便趁着赵高不注意，拔出匕首向赵高刺去，将赵高当场刺死。
杀死赵高之后，子婴这才前往宗庙，拜见祖先，接受传国玺，继承国君之位，不称“皇帝”，改称“秦王”。之后，子婴下令诛灭赵高三族，在咸阳城内示众。
秦王子婴即位后，虽然因为赵高已死，成功接管了朝政大权，但此时秦国已是大厦将倾。秦王子婴明白，如果放任义军进入关中，即使咸阳城高墙阔、兵力充足，也难以长期抵挡义军的围攻，想要力挽狂澜于既倒，就必须想办法将义军阻挡在关外。
为了阻挡义军进入关中，得知武关已被攻克的秦王子婴，在来不及征发军队的情况下，立即下令抽调咸阳守军前往峣关增援，同时下令征发关中子弟为兵，充实咸阳防务。
峣关位于武关与咸阳之间，因临峣山而得名，作为南阳通往关中的最后一道关隘，本就驻有重兵，如今又得到子婴派来的援军，防守更为牢固，而刘邦南阳分兵，再加上攻打武关伤亡甚大，即使有萧何带来的砀郡援兵，此时手中能战之兵也不过两万多，想要凭借武力攻克峣关，显然不太现实。
虽说武力破关难度很大，但眼见关中近在眼前，刘邦怎么可能放弃，因此引军关前便要下令攻打，张良见状连忙上前劝道，“目前来看，秦国守关兵力不少，千万不可轻举妄动”。
刘邦唯恐项羽大军率先进入关中，因此心急如焚，连忙向张良问道，“先生可有良计？”
张良思索片刻后道，“我听说峣关守将是个屠夫的儿子，这种市侩小人只要用点钱财就可动摇。请您率领大军驻军关前，然后埋锅做饭，但要多设锅灶，伪装出为五万人做饭的景象，并派人在四周山上增设旗号，虚张声势、作为疑兵，然后再派郦食其携带大量财宝诱降秦将，事情必定能够成功。”
刘邦依计而行，峣关守将见关外旌旗漫山遍野，炊烟遍布关前，本就有些心惊胆战，又见郦食其献上大量钱财，当即便同意了献关投降，甚至表示愿意和刘邦一起合兵进攻咸阳，得知消息的刘邦大喜过望，决定立即引军入关。
然而，谨慎的张良却认为事情没有那么简单，在仔细询问过郦食其后，这才得知峣关守军成分十分复杂，既有原本驻军，也有后来从咸阳调来的援军。张良分析后认为，峣关守将虽然名义上是最高统帅，但能不能指挥动这些咸阳来的援军，却很难说。
想到此处，张良连忙上前劝道，“如今这峣关守将虽然想要叛秦，但他麾下的士卒却未必服从。如果士卒不从，我们贸然入关，后果将不堪设想，不如趁秦军懈怠之际消灭他们。”
于是，刘邦率兵向峣关发动突袭，由于守关将领已经准备叛变，秦军根本没有防备，立即遭致大败，峣关守将率兵投降，咸阳援军弃关退守蓝田。刘邦则带领曹参、周勃、灌婴、夏侯婴等率军追击，于蓝田南部再度击败秦军。
作为咸阳驻军，这支秦军的忠心没有任何问题，虽然接连遭遇两次战败，但他们仍然选择了退入蓝田大营继续坚守。刘邦见状，也只能下令展开强攻，他命麾下军队兵分两路，自南北两路对蓝田大营展开围攻，秦军则利用蓝田大营的装备做最后的抵抗，甚至连老旧的兵车都拉了出来，然而最终还是惨遭大败。
由于秦二世在位时期的残暴统治和军功爵制的全面崩坏，即便是秦国旧地，对于秦国的统治也已经是怨声载道，虽然秦二世胡亥和赵高先后身死，但百姓们对朝廷却早已失望透顶，面对秦王子婴的征兵命令，即使是善战的秦人，也选择了拒不应征。
因此，当秦军于蓝田战败之后，整个关中便已经彻底丧失了抵抗能力，除了芷阳等地的小规模抵抗，刘邦再也没有遇到成建制的秦军。
咸阳宫中的秦王子婴，在得知峣关迅速告破，而征兵又迟迟没有进展后，陷入了深深的绝望。
汉元年（前207年）十月，刘邦率领大军抵达灞上，从砀县出兵西征，历经十三个月的征战，刘邦终于见到了雄伟的咸阳城，回首过往的征战岁月，刘邦一时间百感交集。
不过，还不等刘邦有太多回忆，一个士兵突然进来禀报，说咸阳城城门大开，从中走出一行奇怪的人，刘邦闻言，连忙带着张良等人前去查看。
原来，秦廷官员自知咸阳已经无力抵抗刘邦大军，纷纷跑出城外向刘邦投降。刘邦见状，连忙上前将这些大臣迎进了大营，免不了又是一顿勉励宽慰，当从这些官员口中得知了咸阳城中的情况后，刘邦也不免为如今落寞的秦廷叹了口气，他知道，自己拿下咸阳也只是时间问题了。
在安顿好这些投降官员后，刘邦便派出使者前往咸阳劝降秦王子婴。
实际上，当秦王子婴接到蓝田战败的消息后，便已经知道自己根本无力挽救秦国了。毕竟，在义军已经杀入关中，而朝廷又迟迟无法征召到军队的情况下，继续坚守咸阳城已经成了无谓的抵抗，非但无法扭转秦国的灭亡，恐怕还会给城中百姓带来灾祸。
因此，当得知刘邦大军已经抵达咸阳城外，而朝中群臣百官纷纷投降的消息后，秦王子婴面对刘邦派来的招降使者，为了保全秦都咸阳和城中百姓，当即便同意了投降。
按照古礼，秦王子婴命人将自己和妻子、儿子用绳子绑缚起来，乘坐着由白马拉着的车，身着死者葬礼所穿的白色装束，手捧着皇帝的玉玺符节，带领着仅剩的官员，沿着轵道前往刘邦军营投降。
途中，子婴思绪飘荡，喃喃道，“当年齐王建出降，恐怕也如今日之模样吧！”想到此处，这位在位仅四十六天的秦王，已是满脸泪痕。
秦朝至此灭亡，国祚仅十五年。
子婴投降之后，樊哙等武将提议将其处死，但刘邦认为这么做不妥，毕竟此时关中形势还不稳定，如果贸然杀死子婴必然会导致人心惶惶，于是将子婴交给了随行人员看管。
接受子婴投降后，刘邦开始以关中王自居，一方面命夏侯婴等人继续带兵平定关中其余不愿归降地区，另一方面命人带兵驻守函谷关，意图将项羽等诸侯阻挡在函谷关以外。
部署完这一切，刘邦这才带着军队进入咸阳，虽然咸阳并未经历战火，但当秦都百姓们见到军队进城，还是免不了一阵慌乱，大街上顿时人仰马翻。而看着巍峨的秦都宫殿和繁华的街市，被晃花了眼睛的当义军将士们在短暂的愣神之后，便有不少人开始趁乱抢掠金银财物，有人带头自然就有人跟随，一时间义军将士顿时乱作一团。
眼见如此，刘邦担心引发城内暴乱，连忙命人制止乱兵，而他自己却忍不住好奇心，趁着将领们收拢兵士的间隙，跑到秦宫去东张西望。看着华丽的宫室，气派的摆设，成堆的金银珠宝，猎狗骏马，珍奇玩物，还有一群群的美女，不觉眼花缭乱，飘飘然起来，一边走一边看，顿时便有些流连忘返。
看着几个行色慌张一路小跑的美女，刘邦当即便来了兴趣，追上前去拥着那几个不敢反抗的美女的便进了胡亥的寝宫，往龙床上一躺，便进入了温柔乡。
然而，还不等刘邦干什么，宫殿大门便猛地被人踹开，一声巨响过后，那几个美女顿时被吓的花容失色，就连刘邦也被吓的坐了起来。
大门敞开，只见一员猛将满脸怒色步入内殿，大声说道，“沛公是想取天下，还是想当富家翁？这些奢华之物，正是秦亡的祸根，难道您也要留恋于此吗？”
刘邦见闯进来的是自己的妻妹夫兼爱将，也颇有些无可奈何，他知道凭樊哙是想不到这么深远的，只是不知道是张良还是萧何找他前来劝谏。不过，既然不是外人，刘邦便也用不着客气，一顿臭骂便将樊哙赶了出去。
不过被樊哙这么一闹，刘邦也是兴致全无，便将身边的几个美女也都赶了出去，那几个美女如蒙大赦，一溜烟的功夫便跑了个干干净净，刘邦这才重新躺回龙床，长吁了一口气。
那几个女子刚刚出去，张良等人便出现在了门口，又是对刘邦好一阵劝谏。
刘邦看着几人，没好气的说道，“打了这么久的仗，我就不能放松放松？”
话虽如此，刘邦还是起身下床，向着门口走去，路过几人身旁时，斜眼看了几人一眼，吐槽道，“这想做个昏君也不容易啊！”
出了宫殿，刘邦下令将皇宫府库全部封存，又命人传令各部，所有将士全部退回霸上。
与忙着放松和搜刮钱财的刘邦等义军将士不同，一直以来都在负责后勤事务的萧何，进入咸阳之后，对于那些金银财物和美女却是视而不见，反而带着人马一路横冲直撞的奔向了秦丞相府和御史府，到了门口便命人守住四处，严禁任何人随意出入。
之后，萧何才带着忠实可靠之人入内查看，对秦朝有关国家户籍、地形、法令等对于治国理政有重大帮助的图书档案进行逐一清查，分门别类、登记造册，全部收藏了起来，好留待日后查用。
当萧何带人将这些无价之宝运回灞上时，不仅全军上下对此佩服无比，就连得知消息的刘邦也是感慨万千，叹道，“萧何果然是异才，不枉我提拔他一场。”而萧何所收藏的这些律令图书档案，使得刘邦对天下的关塞险要、户口多寡、强弱形势、风俗民情等等都能做到了如指掌，而这些都在日后的“楚汉争霸”中发挥了关键作用。
此时秦朝虽亡，但关中未定，且诸侯入关在即，刘邦明白此时最为重要的，便是稳定和争取关中民心。
于是，刘邦率军返回灞上后，便命人将关中各县父老、豪杰全部召集起来，对他们说道，“咱们关中百姓也是深受秦朝严刑苛法之苦，动辄便要族灭、要弃市，关中百姓也是苦不堪言呐！”
说到地处，刘邦顿了一顿，扫视了一眼众人，继续说道，“我与诸侯有约在先，先入关中者王之，如今我已然入关，成为关中王那是迟早的事。在此，我与大家约定，除了杀人者处死、伤人者抵罪和盗窃者判刑之外，其余秦朝的繁律苛法一概废除，各级官吏也都依照原职留任，继续治理地方。”
听了刘邦此话，原本还在担心不已的父老、豪杰们这才放下心来，纷纷表示将拥护刘邦出任关中王。在父老、豪杰们返乡之后，刘邦又派出大批人员，前往各县各乡宣传“约法三章”，使得关中百姓人尽皆知。
秦朝律法本就严苛，而在秦二世统治时期，又大力推行“轻罪重判”，即便是早已习惯秦法的关中百姓，对于秦二世的暴政也早已不满，如今刘邦废除了这些严刑苛法，立即便获得了关中百姓们的一致拥戴，百姓们甚至争先恐后用牛羊酒食慰劳义军将士，原本还有的零星抵抗也就此彻底熄灭。