事實上這個問題也困擾了很多人，目前史學界都還沒有統一說法。
01
祖孫關係
《史記》中只留下了短短的一句話：立二世之兄子公子嬰為王。
什麼意思呢？就是說胡亥被殺後，趙高擁立了胡亥兄長的兒子 嬰即位為秦王。立二世之兄 子（特殊含義，兄子就是兄長之子，如果子是嬰的前綴名字，那就是胡亥之兄）|
公子（稱謂） | 嬰（名字）為王， 至於是他哪位兄長，都沒有確切定論，傳統說法是胡亥長兄-扶蘇的兒子。所以這樣看秦始皇就是子嬰的祖父。
02
父子關係
但是考慮到始皇壯年 病逝，在秦始皇死四年後，子嬰已經和自己兩個兒子合謀誅殺趙高。對於此事件，《史記.秦始皇本紀》也有所載：
齋五日，子嬰與其子二人謀曰：「丞相高殺二世望夷宮，恐群臣誅之，乃詳以義立我。我聞趙高乃與楚約，滅秦宗室而王關中。今使我齋見廟，此欲因廟中殺我。我稱病不行，丞相必自來，來則殺之。」高使人請子嬰數輩，子嬰不行，高果自往，曰：「宗廟重事，王柰何不行？」子嬰遂刺殺高於齋宮，三族高家以徇鹹陽。
按照古代的結婚年齡也不現實。如果我們設想秦三世名字叫子嬰，拆解立二世之兄 | 子 |公子|嬰為王。
這麼來看就是胡亥的哥哥，秦始皇和子嬰就是父子關係。
03
叔侄關係
兄弟也區分很多種，除親兄弟之外還可以是五服以內的堂兄弟。考慮到秦二世胡亥殘暴無道，在登基初期幾乎屠盡兄弟。《史記.秦始皇本紀》也有云：
乃行誅大臣及諸公子，以罪過連逮少近官三郎，昆弟三人皆流涕拔劍自殺。宗室振恐。
所以子嬰作為胡亥的堂兄可能性極大，另外始皇帝還有一位異母弟為成蟜，《史記.李斯列傳》有詳細記載：
徐廣曰：一本曰：『召始皇弟子嬰，授之璽』。
意思就是召 來秦始皇弟弟的兒子傳授他玉璽，讓他即位。
所以綜合子嬰即位時的年齡（畢竟可以和兩個兒子合謀殺死趙高）、秦二世屠盡兄弟、子嬰其名不顯（也許因為生父是投降趙國而獲罪的始皇之弟長安君）來看，他最有可能是長安君成蟜的兒子，和秦始皇為叔侄關係。