章邯以为楚兵不足忧，率秦军北渡黄河，汇合自北方前来增援之王离军一起攻打赵国，并大败赵军于邯郸，随后王离继续包围赵王歇于巨鹿，章邯自己屯兵于南棘原，修筑墙垣甬道，为围城的王离秦军输送粮草辎重。赵国陈余北收恒山兵，得数万人，军巨鹿北。赵数请救于楚。
楚军阵营分兵两路，一支军队北往解赵国巨鹿之围，以宋义为上将军，号称“卿子冠军”，项羽为次将。另一支军队沿河南进攻关中，以刘邦为主帅。楚后怀王许诺“先入定关中者，王之。”
齐将田都、燕将臧荼皆往救赵。宋义率领楚军行至安阳，就按兵不动，滞留四十六日。项羽急欲攻打秦军，为阵亡的叔父项梁报仇雪恨，便催促宋义发兵，宋义不听，反讥项羽有勇无谋，还下令军中：“有猛如虎，狠如羊，贪如狼，强不可使者，皆斩之！”讽刺要杀死项羽。
宋义派遣其子宋襄到齐国当相邦，亲身送行到无盐，饮酒作乐。当时天气寒冷，天降大雨，士卒饥寒不堪，项羽利用这一点激起了士兵对宋义之不满。
在宋义按兵不动之第四十七个早晨，项羽朝会宋义，即入其帐中，斩其头示众。项羽随即向士卒宣布：“宋义与齐谋反楚，楚王阴令籍诛之！。诸将皆曰：“首立楚者，将军家也；今将军诛乱。”桓楚携宋义父子首级报告楚后怀王，怀王只好任命项羽为上将军，率兵救赵。
赵军陈余使五千人先尝试秦军，全军覆没。当时，齐师、燕师皆来救赵，赵军张敖亦北收代兵，得万余人，皆壁陈余旁，未敢击秦。
秦军兵力有王离军二十万与驻守粮道的章邯军二十万，楚军只有五万，兵力远远少于秦军。仔细考察形势后，项羽决定先派英布、蒲将军率两万楚军渡漳河，袭击秦军运粮甬道，获得几场小胜，令王离军乏食，并使章邯军疲于奔命，而能对王离军各个击破。项羽亲率全军渡河，并下令打破炊具，凿沉舟船，每人只带三日干粮，余者焚之，以示拼死一战之决心。
楚军在项羽身先士卒激励下士气高涨，作战十分勇猛，一举击破了秦军勇将苏角的军团，迫使章邯军溃退并撤走了对王离军后背的支援。此时项羽马不停蹄翻身再战王离、涉间之长城军团，九战九捷。当时一个楚军能杀十个秦军，而项羽又亲自奋勇厮杀激励士卒，“又羽兵呼声动天地，终使秦军大败。秦将苏角阵亡，王离被俘，涉间拒降而死。
项羽进攻秦军之前，虽已有燕、齐、魏、代、辽等十几路诸侯军抵达巨鹿前来救援，但都慑于秦军威力，只是屯兵于外围，不敢出战。当楚军进攻秦军的时候，各路诸侯军仍闭门不出，只是从营垒上观望，及至看到楚军大破秦军，各路诸侯军无不胆寒，皆拜伏项羽。项羽由是始为诸侯上将军，诸侯将皆属项羽。
但在《史记三家注·张耳陈余列传》中，关于诸侯军又有另一种说法：“项羽兵数绝章邯甬道，王离军乏食，项羽悉引兵渡河，遂破章邯。章邯引兵解，诸侯军乃敢击围巨鹿秦军，遂虏王离。涉间自杀。待项羽数次攻击章邯粮道后，诸侯军则参与了围攻王离，俘王离、迫使涉间自杀，是楚军和诸侯军的共同战果。
，诸侯联军以兵力绝对优势再击败章邯的偏师，章邯军退却。章邯派司马欣向咸阳请求援兵，但赵高不允，并派人追杀司马欣。司马欣回到军营后，朝廷已被赵高控制，“将军有功亦诛，无功亦诛。项羽楚军大败秦军于三户津和污水。章邯担心赵高迫害，遂与司马欣、董翳率秦军约20万众于殷墟向项羽投降。
完全掌握了朝政，野心极度膨胀的丞相赵高试图自立为帝，通过指鹿为马清洗朝堂后，派女婿咸阳令阎乐逼杀了屠尽兄弟姊妹成为孤家寡人的秦二世。
秦二世死后，赵高召集大臣告知诛杀秦二世的情况，然而发现群臣和将领们都不支持他，不得不迎立子婴。但赵高也留了一手，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。他说：“秦本来只是诸侯，始皇统一天下，所以称帝。六国各自独立，秦国地方更狭小，竟然以空名称帝，这样不行。应该像以前一样称王，才合适。”故而子婴不该再称“皇帝”，只适合当“王”，并让子婴斋戒，到宗庙参拜祖先，接受传国玺。
赵高称子婴为“秦王”，其实是为了日后自己继续篡位做准备。
斋戒五天后，子婴和他的两个儿子以及宦官韩谈商量说：“丞相赵高在望夷宫杀害秦二世，害怕群臣诛杀他，便假装申张正义立我为王。我听说赵高竟与楚国相约，灭掉秦朝的宗族后在关中称王。如今让我斋戒朝见宗庙，这是想在宗庙趁机杀掉我。我装病不去，赵高必定亲自来请，赵高来后就杀死他。”于是，子婴便假托生病，不理朝政。赵高数次派人来请子婴，子婴不去，赵高果然亲自前往子婴所在的斋宫，说：“朝见宗庙有关国事，君王为什么不去？”趁此机会韩谈刺死赵高，并诛灭赵高三族，在咸阳城内示众。 秦王子婴元年刘邦率大军攻破武关，攻下峣关，兵临咸阳，屯兵灞上时，派人劝子婴投降。此时，群臣百官也都背叛秦朝而投降刘邦。子婴眼看大势已去，便和妻子、儿子们用绳子绑缚自己，坐上由白马拉着的车，身着死者葬礼所穿的白色装束，并携带皇帝御用的玉玺、兵符等物，从轵道亲自到刘邦军前投降，秦朝灭亡。子婴共在位四十六天。
子婴投降后，樊哙提议杀死子婴，但刘邦没有同意，而是把他交给随行的吏员看管。一个多月后，项羽率领大军进入咸阳后，立刻杀死子婴 ，纵火焚烧秦宫室，并进行大屠杀，秦朝累代之积至此一炬而尽。
虞姬被带到了龙城，虞姬一下就被龙城繁荣景象吸引了，同时也被龙辉吸引了，项羽做了共王，封龙辉为龙国国王，龙城周边十几城为龙国领地。不久虞姬就做了龙国王妃，龙辉也觉得对不住项羽，封了国土还翘了人家女人。