公元前210年，秦始皇在巡游途中病逝，赵高、胡亥和李斯合谋发动沙丘之变，由此胡亥登上了天子宝座，并矫诏赐死皇长子扶苏，随后打算对名将蒙恬下手。这时，子婴在历史上第一次出场，他力谏秦二世不可，认为这样对内会使群臣互不信任，对外则使战士斗志涣散。
然而，秦二世并没有听从谏言，仍旧赐死了蒙恬。不久，秦二世又在赵高的蛊惑下，对大臣以及始皇帝的皇子、公主展开血腥大屠杀。但令人奇怪的是，子婴竟然能免遭杀戮。后来胡亥被赵高所杀，野心极度膨胀的赵高试图自立为帝，但发现群臣和将领们都不支持他，于是不得不迎立子婴。不过，赵高也留了一手，他声称六国故地相继起事，秦已失去对整个华夏大地的控制权，故而子婴不该再称“皇帝”，只适合当“王”，称“秦王子婴”。
当年九月，赵高让子婴先行斋戒，然后再到宗庙拜见祖先，接受传国玉玺。斋戒了五天之后，子婴对他的两个儿子及心腹韩谈说：“赵高杀害了二世皇帝，他害怕群臣诛杀他，才假模假样来扶立我。我听说赵高已与楚国订立盟约，屠杀秦宗室以后由他在关中称王。如今让我斋戒后去宗庙，正是想借机杀我。我如果称病不去，他一定亲自前来，他一来我们就杀了他。”赵高多次派人来请子婴去宗庙，子婴都不起行，赵高只得亲自来请。按照预定计划，子婴命韩谈刺杀了赵高，随后在咸阳当众灭了赵高三族。
纵观历史，子婴巧计杀赵高同崇祯灭魏忠贤颇为相似，不仅如此，这两位君主以后的表现也如出一辙：前明后昏，都成了各自王朝的掘墓人。
子婴诛杀赵高之际，项羽、刘邦两支大军正从东、南两面逼近秦都咸阳，于是子婴派兵据守峣关，抵御东方起义军。没料到，刘邦采纳张良的建议，一面派遣郦食其、陆贾游说守关将领，用重利引诱他们投降，使他们放松了防务；一面又命军士悄悄绕过峣关，从背后偷袭秦军。刘邦大军占领峣关后继续北进，在蓝田南一战中取得重大胜利，秦军溃退至蓝田以北。刘邦一边“益张疑兵旗帜”，制造声势，一边重申军纪，受到秦地百姓的欢迎。秦军懈怠之时，起义军连续猛攻，再获全胜，全歼蓝田秦军。至此，咸阳附近秦军的最后一点有生力量也损失殆尽，子婴手中再也没有什么力量能阻止刘邦夺取咸阳了。
公元前206年十月，刘邦大军进抵灞上，距咸阳只有百里之遥。子婴守着一座庞大的都城，既无可战之兵，又无可守之险，只得接受刘邦的“约降”条件，下令秦残余部队停止抵抗。他自己则“素车白马，系颈以组，封皇帝玺符节，降轵道旁”，恭恭敬敬地向刘邦投降。秦朝在子婴投降的这一刻正式灭亡，子婴也只当了46天秦王。
子婴投降刘邦之后，以樊哙为首的一批将领提议杀掉这个亡国之君，但刘邦不同意这样做，说：“始怀王遣我，固以能宽容，且人已降服，又杀之，不祥。”他命人将子婴一干人等看押起来，待以后再作处理。然而，作为亡国之君的子婴终究未能在乱世中苟全性命。
一个多月后，项羽也率大军抵达关中，刘邦部将曹无伤向项羽谎报称，刘邦将自立为关中王，以子婴为丞相，结果项羽设下鸿门宴。鸿门宴之后没几天，项羽指挥自己的军队开进不设防的秦都咸阳，处死子婴，纵兵屠杀咸阳无辜百姓，大肆劫掠宫中和民间财物，随后放火焚烧秦宫室和官府，熊熊大火长达三月不熄。
历代诸多史学家都认为子婴对秦朝的灭亡没有责任，称他即位时已无力回天，然而，他们忽视了最重要的一点，即子婴本可退守巴蜀或陇西。
从公元前207年的天下大局来看，经过三年的反秦战争，各地起事的反秦武装形成了具有代表性的八大军事集团：以楚怀王为首的旧楚国贵族集团，他们只满足于形式上的天下共主地位，如同东周时期的周王室；以项羽为首的新楚国军事集团，他们以恢复秦统一前的列国割据为奋斗目标；刘邦所率领的新兴军事集团，他们的近期目标是“王关中”；其余的赵国、魏国、齐国、燕国、韩国军事集团都只求据地自保以延续各自国家的香火。可以想象，在“春秋战国”模式下，天下诸侯间很快将出现内斗。
子婴如果能认清形势，就不该战蓝田，以至于把自己手上的兵力全都消耗殆尽，而应直接放弃咸阳，退入巴蜀地区。退守巴蜀至少有三大好处：一、可借地利防守，蜀中资源丰富，易守难攻，即使子婴一时间无法反攻，也可以在那里延续秦朝基业。二、等待部分岭南秦军回援。岭南秦军当时并不是铁板一块，有一些将领不赞同赵佗立国称王。南海郡、桂林郡和象郡三郡分治，赵佗一开始只控制了南海郡，其他两郡则处于观望状态。三、等天下诸侯内斗，诸侯大国的实力消耗得差不多的时候，子婴可再出巴蜀平定三秦。毫无疑问，子婴退守巴蜀的结果肯定比他投降要好得多！
正如西汉初年著名才子贾谊在一篇论著中所言，子婴是使秦朝完全灭亡的人，只要子婴有一般君主的才能，并得到中等之臣的辅佐，山东（函谷关以东）地区虽然丢失，但秦仍能保有关中。司马迁在《史记·秦始皇本纪》中也对贾谊的论点表示赞同。然而，自东汉以来，很多史学家都宣称，秦朝经过秦二世的暴虐统治，已经彻底失去民心，历史给子婴提供的时间和空间都不容其施展才能了，但这并非历史的本来面目。