可司马欣到了咸阳后，根本见不到胡亥。赵高故意刁难他，让他在宫门外等了三天三夜，还派人监视他。司马欣知道情况不妙，赶紧偷偷离开咸阳，返回棘原。路上，他还发现有人在追杀他，幸好他换了一条路，才侥幸逃脱。
司马欣回到棘原，把咸阳的情况告诉了章邯：“将军，赵高在朝廷里一手遮天，陛下被他蒙在鼓里。我们现在打胜仗了，赵高会嫉妒我们的功劳，想办法除掉我们；我们打败仗了，他更会借此机会治我们的罪。不管怎么样，我们都没有好下场啊！”
章邯听了，心里非常矛盾。他是大秦的将军，忠诚是刻在骨子里的，可现在朝廷被赵高把持，皇帝昏庸无能，自己就算打赢了项羽，回到咸阳也难逃一死。
就在章邯犹豫不决的时候，项羽派使者来劝降了。使者对章邯说：“将军，大秦已经气数已尽，赵高当道，皇帝昏庸，你再为这样的朝廷卖命，不值得！不如归顺楚王，我们一起灭秦，到时候你功劳最大，楚王肯定会封你为王，享受荣华富贵！”
章邯心里动摇了，但他还是有点不甘心 —— 自己好歹是大秦的战神，就这样投降叛军，实在太没面子了。可他又想，自己手下还有二十万秦军将士，不能因为自己的忠诚，让他们白白送命。
正在这时，项羽率领楚军发起了进攻，秦军再次战败。章邯知道，自己已经没有退路了。公元前 207 年七月，章邯在洹水南岸的殷墟（今河南安阳），正式向项羽投降。
投降那天，章邯见到项羽，忍不住哭了起来，把赵高的所作所为一五一十地告诉了项羽。项羽很同情章邯，也很欣赏他的军事才能，当即封章邯为雍王，还让他继续率领秦军，跟着自己西进灭秦。
章邯以为，自己投降项羽后，就能保住性命，还能继续建功立业。可他没想到，一场更大的灾难正在等着他和他的二十万秦军将士。
章邯投降后，项羽率领大军西进，准备攻打咸阳。
章邯的二十万秦军被编在楚军的队伍里，跟着一起前进。可楚军将士和秦军将士之间，早就结下了血海深仇 —— 秦军当年攻打楚国，杀了很多楚国人，项羽的叔父项梁也死在章邯手里，现在秦军成了俘虏，楚军将士经常欺负他们，打骂、克扣粮草是常有的事。
秦军将士心里很不满，私下里议论纷纷：“我们投降了项羽，可楚军这么欺负我们，要是到了咸阳，灭了秦朝，项羽会不会把我们都杀了？不如我们现在反叛，说不定还有一条活路！”
这些议论传到了项羽的耳朵里。项羽本来就对秦军心存猜忌，怕他们到时候反叛，现在听到这些议论，更是下定决心要除掉他们。他和英布、蒲将军商量：“秦军将士人数太多，而且心里不服气，要是到了关中，他们反叛起来，我们就麻烦了。不如现在就把他们都杀了，只留下章邯、司马欣、董翳三个人，这样就安全了。”
英布和蒲将军都同意了。公元前 207 年十一月，项羽率领楚军，在新安（今河南义马）城南的山谷里，把二十万秦军将士全部活埋了。
当章邯得知这个消息时，整个人都傻了。他不敢相信，项羽竟然会做出这么残忍的事情。二十万秦军将士，都是跟着他出生入死的兄弟，都是他一手带出来的兵，就这样不明不白地死了，而且是被自己的盟友活埋的。
章邯心里充满了愧疚和绝望。他觉得自己对不起这二十万秦军将士，是自己的投降，把他们推向了死亡的深渊。他也终于明白，项羽虽然勇猛，但生性残暴，根本不值得自己追随。可现在，他已经没有退路了 —— 秦朝已经灭亡，他成了楚国的雍王，却失去了所有的士兵，成了一个光杆司令。
公元前 207 年十二月，项羽率领大军攻破咸阳，杀了秦王子婴，烧毁了阿房宫，秦朝正式灭亡。项羽在咸阳分封天下，封章邯为雍王，统治关中西部；封司马欣为塞王，统治关中东部；封董翳为翟王，统治关中北部 —— 这就是历史上的 “三秦”。
项羽之所以这么分封，是想让章邯、司马欣、董翳三个人镇守关中，挡住东边的刘邦。可他没想到，关中百姓对章邯恨之入骨 —— 二十万秦军将士都是关中人，他们的家人都在关中，章邯作为他们的将军，不仅没能保护他们，还跟着项羽一起灭了秦朝，现在又回来统治他们，关中百姓怎么可能服他？
而刘邦这边，被项羽封为汉王，统治巴蜀和汉中。刘邦早就想夺取关中，他采纳了韩信的 “明修栈道，暗度陈仓” 之计，于公元前 206 年八月，率领汉军偷偷穿过陈仓（今陕西宝鸡），突然出现在关中。
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关中百姓本来就不满章邯的统治，见到刘邦的汉军来了，纷纷响应，支持刘邦。章邯率领雍国的军队抵抗汉军，可他的军队都是临时招募的，根本不是汉军的对手，很快就被打得大败。章邯退守废丘（今陕西兴平），刘邦率领汉军把废丘围了起来。
章邯被困在废丘，孤立无援