诛杀赵高
公元前206年九月，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者韩谈谋议说：“丞相赵高在望夷宫杀了秦二世，害怕群臣们诛杀他，便假作是行德义而立我为王 。我听说赵高竟与楚国约定，消灭我国的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我这里他一来我们就杀了他 。”赵高几次派人来请，子婴都不去宗庙 。果然他亲自来到斋宫，子婴便命令心腹韩谈刺死赵高，并诛灭赵高三族 。
投降刘邦
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年十月 ， 进入武关，到达灞上后派人劝子婴投降 ， 并得到子婴的同意 。子婴遂与妻子用绳绑缚自己 ， 坐上由白马驾驶的白色马车 ， 身着死者葬礼所穿的白装束，并携同皇帝御用物品(包括玉玺和兵符)，在轵道亲自至刘邦军前投降 。秦朝在子婴投降的那一刻正式灭亡，所以子婴共当了46天秦王 。樊哙提议杀了子婴，刘邦并没有处死子婴，而是把他交给随行的吏员看管 。一个多月后，项羽亦率领大军到达关中 。刘邦的部将曹无伤向项羽称刘邦将以子婴为相而自立为关中王 ， 结果项羽设下了鸿门宴 。项羽入咸阳城后，立刻杀死子婴 ， 并进行了大屠杀及纵火 。
身死之后
子婴死后，有关他埋葬的地点一直不详 。2007年，被誉为“秦兵马俑之父”的考古学家袁仲一指出，在秦始皇陵园旁新发现的“秦陵第二大墓”，是座相对独立的陪葬墓园，其墓主很可能是子婴 。
袁仲一认为，子婴是秦二世之兄、秦始皇之子，被杀后埋于始皇陵园附近，是符合古代的丧葬礼制和一般常理的 。把子婴墓放在秦始皇陵园西北隅也是迫不得已 。子婴是亡国之君，在位的时间仅46天，仓促选址埋葬，致使墓上没堆筑封土，没筑城垣，连墓的方向都有违传统，遂致其葬地长期不明 。
陕西咸阳、西安等地区皆有奉祀子婴的庙宇 。一般从祀于扶苏，称“秦王庙” 。
秦朝皇帝子婴历史评价
根据《史记》所述，贾谊认为子婴是使秦朝完全灭亡的人物 。他在一篇论文中认为：只要子婴有“庸主之材”，加上中规中矩的辅佐，秦仍可保守关中地区 。司马迁本人在《秦始皇本纪》亦对贾谊的论文表示赞同 。东汉史家班固则持不同看法：他认为秦二世死时，秦朝已不可救子婴虽然无能为力 ， 但杀死赵高的决定已证明他已尽力完成自己能做的事，应该予以同情和尊重：“吾读《秦纪》，至于子婴车裂赵高，未尝不健其决、怜其志 。婴死生之义备矣 。”
贾谊、司马迁曰：“向使婴有庸主之才，仅得中佐，山东虽乱，秦之地可全而有，宗庙之祀未当绝也 。”
班固：“秦之积衰，天下土崩瓦解，虽有周旦之材，无所复陈其巧，而以责一日之孤，误哉!俗传秦始皇起罪恶，胡亥极，得其理矣 。复责小子 ， 云秦地可全 ， 所谓不通时变者也 。纪季以酅，春秋不名 。吾读秦纪，至於子婴车裂赵高，未尝不健其决，怜其志 。婴死生之义备矣 。”
司马贞：“子婴见推，恩报君父 。下乏中佐，上乃庸主 。欲振穨纲，云谁克补 。”
何去非：“子婴而秦之事去矣，虽有太公之佐，其如秦何哉?”
蔡东藩：“子婴不动声色 ， 能诛赵高，未始非英明主假使秦尚可为，子婴得在位数年 ， 兴利除害 ， 救衰起弊，则秦亦不至遽亡 。然如始皇之暴虐，二世之愚顽，岂尚得传诸久远?子婴不幸，为始皇之孙，贤而失位，且为项羽所杀，祖宗不善，贻祸子孙 。”
