Hai bên giao ước chưa xong, Hạng Vũ sai Bồ tướng quân ngày đêm đem quân vượt bến Tam Hộ đóng quân ở phía nam sông Chương, đánh nhau với quân Tần, lại đánh tan quân Tần lần thứ hai. Hạng Vũ tự mình đem tất cả quân đánh quân Tần trên sông Vu Thủy, phá tan tành quân Tần một trận nữa.
Bị thua liền 3 trận, Chương Hàm không còn cách nào khác là phải đầu hàng. Ông sai người yết kiến Hạng Vũ xin hàng. Hạng Vũ vì cũng sắp hết lương nên đồng ý cho ông đầu hàng.
Hạng Vũ bèn hẹn với Chương Hàm gặp nhau ở Ân Khư phía nam sông Hoàn Thủy. Sau khi hai bên ăn thề xong, Chương Hàm nhìn thấy Hạng Vũ, chảy nước mắt ròng ròng, kể lại việc gian thần Triệu Cao. Hạng Vũ nhận cho ông hàng, rồi lập ông làm Ung Vương giữ lại ở trong quân đội của Sở, cho trưởng sử Hân làm thượng tướng quân, cầm quân Tần để đi tiên phong.