赵高逼迫二世自杀以后，迅速与武关外的刘邦交涉。刘邦拒绝如约与赵高分王关中，趁乱强行攻破武关，进入商洛道，沿丹水直趋蓝田。赵高被杀，秦王嬴婴得到刘邦军进入武关的消息，紧急命令戍卫京师的中尉军前往嶢关和蓝田一带设防，阻止刘邦军进入关中。刘邦军用张良的计谋，以重金实利引诱秦军将领言和，趁其鬆懈，突然展开攻击，将嶢关攻克，又在蓝田再破秦军，沿灞河而下，直奔咸阳而来。
十月，刘邦军抵达咸阳西南郊外的灞上地区，秦王嬴婴已经无兵可用，无险可守，为了保全咸阳军民，开城无条件投降。嬴婴乘白马牵引的丧车，颈繫天子绶带，手奉封存的皇帝玺印符节，带领百官出城到灞河西岸的轵道亭出降，迎接刘邦军入城，秦帝国灭亡。秦国自襄公八年开国以来，延续了五百七十一年的历史，至此结束。末代秦王嬴婴，总共在位四十六天。
受降以后，部下有人建议诛杀秦王嬴婴，刘邦拒绝了。刘邦说：「当初怀王派遣我奉约入关，是因为我能宽容待人。敌人已经降服而加以杀害，乃是不祥之事。」刘邦不杀嬴婴，也有别的考虑。依照怀王之约，刘邦当领有秦国作秦王，秦国将成为刘邦未来的国土，秦人将成为刘邦未来的臣民。从嬴婴开城投降起，刘邦已经自视为秦王，开始考虑统治秦国的战后政策和建国方略。嬴婴开城投降，代表了秦国官民的归附。对嬴婴的处置，也将表示新政权对秦国官民的态度。刘邦是关东楚国人，在秦国毫无根基，嬴婴是旁系新主，既无逼人之势，又得秦国官民的同情好感。对于刘邦来说，善待嬴婴，不仅有利于眼下安定秦国军心民心，而且今后统治秦国时，嬴婴也是大可以利用的人选。刘邦于是将嬴婴交与部下好生看管，对秦国的宗室大臣一律宽赦不诛，下令各级官吏各司旧职，维持现状，听从刘邦军的统一指挥。
刘邦领军进入咸阳，再次惊歎秦都宫室的富丽繁华，回忆起当初作徭夫来咸阳，外观宫室路遇始皇帝的往事，感慨兴奋，大有筋骨酥鬆、身心舒畅之感，准备就在咸阳宫中留驻下来，好好轻鬆享受一番。从关东跟随而来的部下们，多是乡下人，人人大开眼界，兴奋难抑之情，远远胜过刘邦。他们纷纷进入秦宫和仓库，掠取珠宝财物，寻找妇人美女。张良是清心寡欲的人，混乱当中，他清醒不乱。他说通刘邦的姻亲、心直口快的炮筒子樊哙，二人迅速来到秦宫面见刘邦，晓以利害，坚决劝阻，终于说服刘邦打消了入居秦宫的念头，下令查封所有的府库财物，全军退出咸阳，还军灞上。混乱当中，还有一位清醒不乱的人是萧何，他在刘邦军中作郡丞，负责文牍后勤。萧何有经邦治国的远见，独自领人进入秦丞相府和御史寺，将秦政府的律令文书、档案图录等文件全部取出，带回军中，早早地掌握了秦帝国据以统治天下的基本信息和数据。
还军灞上以后，刘邦迅速著手实施对于秦国的统治。在萧何的主持下，刘邦宣布暂时废止秦帝国繁杂苛刻的法律，以简洁的三章法约束军民，维持战后秩序：杀人者处死，伤人者受刑，盗窃者罚金。刘邦又亲自召集关中咸阳近处的父老豪杰，晓谕以除暴秦入关安民的旨意。他明确表示自己与诸侯各国有约定，先入关中者王关中，自己当作未来的秦王。他说，秦国法制严酷，秦中父老也久受其苦，「我之所以来到关中，是为父老兄弟们除害，绝不会有报复侵害，希望大家不要害怕。我之所以还军灞上，是为了等诸侯各国军到来后，共同确认怀王之约。」对于关中及蜀汉地区各郡县，刘邦派部下与秦的主管官吏一同前往，布告安民，一切维持原状不动。
秦灭六国，秦人与六国人结怨甚深。如今破国失王，最怕诸侯国军入关以后挟仇报复，得到刘邦的抚慰宽待，举国安定，人人喜乐，纷纷主动牵牛羊，齎酒食前来灞上慰问刘邦军。刘邦推辞不受说：「仓库粮食多，军队不缺粮，不希望父老乡亲破费。」秦国人益发喜悦，人人唯恐刘邦不做秦王。