定陶之战结束后，章邯率领军队转战河北，战斗的矛头指向赵地。大破赵军后追着赵王歇与张耳逃到了巨鹿城，与另一支秦国军队王离军一起合力围住了巨鹿。项羽闻讯率军前来支援，两支军队在漳水两边对峙。此时章邯带领的秦军连续作战，已经严重减员，与之对战的项羽又是军事天才。项羽军队的英勇以及秦军兵力的不足，导致章邯军数战数却。
章邯军的连连退却使朝廷震怒，章邯恐慌害怕，派长史司马欣入京请示皇帝，却遭到更为严重的无视：留在司马门三天，赵高不接见。在长史司马欣归途中，赵高派人追杀，还好司马欣多了个心眼，没有走原路。司马欣回到军中，看到了朝廷已经不能依靠，于是向章邯报告说："今战能胜，高必嫉妒吾功；战不能胜，不免于死。愿将军孰计之。"已有让章邯投降的意思。
与此同时，起义军中的陈馀也向章邯投递了一封劝降书，点出章邯"有功亦诛，无功亦诛"的结局，并向章邯抛出橄榄枝。面对这封书信，再回想司马欣回咸阳请兵时的遭遇，章邯内心也开始动摇了。此时的章邯一定是分外矛盾的，他并不想成为一个背弃君主投降易主的罪臣，但他又不得不面对奸臣赵高的迫害，李斯、蒙恬等人的结局也让他心寒。但章邯降楚还是有一层顾虑，便是章邯曾杀死项羽叔父项梁，章邯并不敢完全相信项羽能够全然接纳他的投降。据《史记》载章邯和项羽第一次约降未成，项羽派兵又打败章邯，后项羽因为城中粮食短缺而同意章邯的投降。司马迁在《史记》中关于章邯降楚时写到："章邯见项羽而流涕，为言赵高"，将当时被逼无奈的章邯终求降而得的心境惟妙惟肖地刻画了出来，亦将一个屡战屡胜的大将军无奈迫降的心酸苦楚展露无遗。
章邯投降项羽，有着重要的历史意义。章邯虽被封为雍王，但实际已被剥夺了兵权，预示着章邯在历史舞台上退居次席。就秦朝廷而言，章邯的投降对秦王朝的打击也是致命性的，使秦朝失去了最后一支强有力的军事力量，败亡已不可避免。
