此时大太监赵高谋权篡位，在咸阳城中发动袭击，逼迫胡亥自杀。赵高本想自立为王，却招文武百官反对，无奈暂立胡亥之子子婴为新皇。新皇登基斩杀赵高，夷灭三族。此时大秦帝国已无多少领土，仅有大秦国都咸阳，改称"秦国"。
刘邦率领大军过函谷关，大军攻破武关，屯兵灞上，兵临咸阳城下，秦国无险可守，无兵可出，根本无法和刘邦大军抗衡。子婴派出城内仅有的部队与刘邦进行激战，无奈兵败。群臣百官见大势已去，纷纷背叛秦国投降与刘邦。此时，刘邦派出使者觐见秦王子婴，劝其投降。
秦王子婴元年（公元前207年）11月14日，子婴心系城中百姓，同意归降。同日子婴带妻女、儿子用绳子捆绑着全家坐于马车，自己身穿白色葬礼穿的葬服，双手捧贡盘端着皇帝御玺、兵符等投降与刘邦大军。自此秦朝灭亡。子婴在位仅四十六天。刘邦进城后并未斩杀子婴，还与城中废除秦法律法规以及杂税，并在咸阳城与百姓"约法三章"召集当地名士，整肃咸阳城官吏后还兵与灞上。
始皇帝建立秦朝后立国15年零47天，秦朝自此灭亡。
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