秦始皇死后，秦二世胡亥即位。二世宠信赵高，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，子婴曾劝阻二世说：“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啊!”但秦二世不听从他的谏言。
秦二世在位三年，被赵高所杀。赵高欲自立为王，但发现群臣并不支持，于是迎立子婴即皇帝位，并将玉玺交给他。其后不久，赵高声称民变四起，秦地比统一前更小，建议子婴称王而不称帝，子婴依赵高，废帝号，改称秦王。
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。
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，子婴共当了四十六天秦王。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。子婴死后，有关他埋葬的地点一直不详。
揭秘：秦三世子婴为什么只做了四十多天皇帝