公元前210年7月2日，秦始皇在第五次东巡途中，死于沙丘。秦始皇死后，赵高与李斯合谋篡改遗诏，让秦二世胡亥即位。
胡亥宠信赵高，赐死扶苏，诛杀多位旧臣，包括蒙恬、李斯等人。当秦二世准备加害蒙恬时，子婴曾劝阻说：“赵王迁杀死李牧而任用颜聚，齐王建杀死他前代的忠臣而任用后胜，结果都使国家灭亡。蒙氏，是秦国的大臣、谋士啊！而陛下您想一时就把他们杀掉，臣私下认为不妥。诛杀忠臣而举用没有德行的人，是使朝廷内群臣互不信任，而使在外的将士们意志丧失，此乃亡国之举啊！”秦二世不听，杀了蒙氏兄弟，自毁长城。
秦二世胡亥在位三年，被赵高所杀。赵高欲自立为王，但发现群臣并不支持，于是迎立秦始皇的长孙子婴即皇位。
公元前206年9月，赵高令子婴实行斋戒，要到宗庙行礼，接受传国的玉玺。经过了五天，子婴与他两个儿子及宦官韩谈商议说：“丞相赵高杀了秦二世，害怕群臣诛杀他，便假作行德义而立我为王。我听说赵高竟与楚国约定，消灭我宗族后瓜分土地在关中称王。现在要我斋戒，到宗庙敬祀祖先，这是想趁机在宗庙中杀死我。我推托有病不能去，丞相一定会亲自来到这里，我们就杀了他。”
参拜宗庙时辰已到，赵高几次派人来请，子婴却迟迟不动身，无奈，他亲自来到斋宫，子婴的心腹宦官韩谈挥剑杀死赵高。接着，子婴下令：诛灭赵高三族。
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。
刘邦进入咸阳宫，马上就眼花缭乱，意醉神迷！咸阳宫中美女无数，刘邦本是酒色之徒，就受用起来。樊哙规谏他应以国事为重，况且天下未定，当平定天下后，再行享乐。刘邦不悦，说：“成功了不享乐，老子打天下做甚？”张良也力劝刘邦：“樊哙所言极是，应当接纳。秦王逸乐，以致倾覆灭亡，现在君又行淫逸，难道不怕你辛辛苦苦创立的基业毁于一旦吗？”刘邦果然是英雄，立即收敛恶习，将财宝封于仓库，还军灞上。
一个多月后，项羽亦率领大军到达关中。项羽派人向刘邦索要子婴。刘邦即召见子婴，把项羽的信拿给他看，子婴说：“我已顺应天心民意投降了将军，如何复投项羽？若见了项羽必然性命难保。”刘邦道：“项羽性贪而好杀，你们多备宝物、美女进献，项羽见之必心喜，或可保全性命，若不速往，致其发怒反遭毒手。”秦皇室公子耆老一齐伏地大哭：“如果我们去见项羽，难免一死。不如弃咸阳逃亡天涯”。子婴道：“或可逃去，项羽必迁怒于咸阳百姓，我在位不过四十多天，并无恩泽于百姓，连累他们遭戮实不忍心，我们还是及早上路吧。”众人再次伏地流泪大哭不已。
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。
项羽接过钦表观看：“始皇之孙扶苏之子秦三世子婴上言，伏以秦祀中绝,赢图失御，四海遭涂碳之殃，七庙亡祀享之礼，天意失，民心散，遂至土崩瓦解。矛钺西指群凶束手，旆旄下临六国风从。威令行不速之命，神武昭不杀之恩。臣婴等非敢望祖庙以承宗，维求伴坏（pei）土而延日。一门叨重见之光，百口荷再生之福。商汤存夏后之宗，遂成六百年之统；姬武赐殷裔不绝，乃开八百岁之基。大王继殷周而王关中，存赢秦以弘楚胤。婴等下情不胜战栗恐怯之至。”
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”。
范增道：“昔鲁襄公杀一无罪宫女，致九年旱涝；景公暴杀宫妃，王宫楼台倾三里。古亦有无罪杀人，怨气化为飞蝗残食五谷之例，故云：匹夫含恨，六月飞雪，一妇蒙冤，三年无雨。现今咸阳上空愁云惨雾黑气朦朦，必为曲杀无罪子婴，天垂异象之故也。可怜咸阳百姓无辜，若行屠戮，委实有伤天和。”
范增苦劝不上，项羽怒气益增。他所想到的是秦始皇杀了他爷爷项燕、秦军杀了他叔叔项梁，此仇不报，更待何时？遂令英布：催攒兵马大开杀戒。一时间哀声震天，血流成河，尸横遍野，咸阳上空血腥弥漫，秦王室宗族公子宗亲族人共八百余人蒙难，咸阳官宦大户四千六百余人被杀。咸阳百姓家家关门闭户，远躲近藏，一个逽大的咸阳都城街面上看不见人影。项羽仍然怒气不息，严令英布挨家搜查杀尽咸阳百姓。
范增放声大哭，死命劝阻，并用自己的头抵住英布的马腹哀声言道：“昔汤王在位时大旱三年不雨，王以自己为牺牲祷于桑林之野，忏以六事自责，后三日而大雨降，汤王尚舍身为百姓，何况秦民无罪而戮之乎？今若尽行诛戮，明公难道不怕天怒么？”项羽见范增苦谏不止，遂下令停止屠杀，大军进驻咸阳，掳尽秦国库的金银财宝美女及官宦大户的珍宝，然后放火烧毁秦皇宫，大火三月不熄。
秦灭六国之后，秦始皇在位十二年，秦二世胡亥在位三年，秦三世子婴在位仅仅46天！秦灭。
灭秦后，项羽自称西楚霸王，分封了18个诸侯王，然后下令回师徐州。
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