刘秀带一千余人为前锋，距王邑军四五里地稳住阵脚。王邑得报刘秀搬来救兵，便派了数千人前去应战。两军对垒，勇者为胜。作为前锋主帅的刘秀身先士卒，催马向前，枪挑剑刺，一气杀死了十几个敌兵。众将见了，倍感振奋，赶快冲上去，协助刘将军！众将士一拥而上，将数千莽军杀得落荒而逃。王寻又派数千人再上，然而刘秀将士愈战愈勇，所向披靡，以一当十，又将莽军打得大败。王寻见手下将士连吃败仗，亲率一万人马迎战刘秀，并令其他待战将领不得擅自行动，以免乱了阵脚。刘秀见王寻出马，就从后续赶到的援兵中挑选三千精兵，带队冲进王寻、王邑大本营。王寻的士兵被这突如其来的“天兵天将”惊得不知所措，无力抵挡，四下逃窜；其他将领未得命令，不敢擅自增援。刘秀带领数骑，冲向王寻，王寻措手不及，被乱刀砍死。昆阳城上的王凤、王常，看到王寻旗倒，莽军大乱，便知刘秀已经得手，忙打开城门，冲杀出来。城内城外夹攻，喊杀声和军鼓声震天动地。
莽军群龙无首，失去指挥，乱跑乱撞，相互践踏。霎时间，天昏地暗，电闪雷鸣，大雨瓢泼而下，莽军中虎豹犀象一时惊得乱窜乱逃，它们根本不听使唤，巨无霸绝技失灵。莽军兵败如山倒，被杀、被淹死者达数万之众。待王邑率残部逃回洛阳时，四十万众所剩不过数千人马了。
昆阳之役，刘秀创造了历史上以弱胜强的战争奇迹。此役基本上摧毁了王莽军队的主力。这次大战后，农民起义更加风起云涌，绿林军成为起义军的中坚。
昆阳战后不久，在宛城的更始帝刘玄，受新市、平林诸将的鼓动，妒忌刘、刘秀的盛大威名，借故杀死刘。远在前线征战的刘秀听到兄长被害噩耗，又悲又恨。可他想到自己势力敌不过刘玄，只得强忍悲痛，以屈求伸。他忍气吞声，到宛城向刘玄谢罪。不久，他请求刘玄任他为破虏将军，去安抚河北，得到刘玄同意。
此时，绿林军一路由王匡率领进攻洛阳，一路由申屠建率领进攻武关、长安。公元23年十月，起义军攻破长安，王莽逃到渐台，被商人杜吴杀死。王莽的新朝统治结束。
公元24年初，刘玄从洛阳迁都长安，纪律严明。但刘玄进入长安后，大封宗室，生活日益腐化，日夜与妇人在后庭饮宴。起义军将领和刘玄等旧贵族的矛盾也尖锐起来。刘玄杀死起义军将领申屠建、陈牧、成丹等人。王匡、张钡炔宦，率军反抗，但被刘玄击败，他们便率军投奔了赤眉军。
这时，赤眉军已在东方发展成一支强大的军队。刘玄初都洛阳时，樊崇曾想与绿林军联合，他亲率二十余人到洛阳，表示愿受更始政权指挥，但刘玄很冷淡，仅给以空头列侯官爵。樊崇等不满，返回赤眉军中，分军两路向中原进击。公元25年，赤眉军会师弘农(今河南灵宝)，有众三十万人，继续西进至今陕西华阴。他们在地主与巫师的怂恿下，拥立一个西汉宗室后裔、年仅十五岁的牧童刘盆子做皇帝，建立政权，徐宣为丞相，樊崇为御史大夫。九月，赤眉军攻入长安，刘玄投降，不久被绞杀。
赤眉军入长安，得到人民的热烈拥护，却遇到关中豪强地主富商的破坏与顽抗。他们组织武装，隐藏粮食，制造混乱。赤眉军被迫退出长安，转移于安定、北地(今甘肃固原、怀县)一带，又遇大雪，并遭到拥兵割据的隗嚣地主武装的袭击，再折回长安。而此时的长安，已是“城郭皆空，白骨蔽野”，赤眉军只得出关东归。
再说刘秀到河北以后，就释放囚徒，废除王莽苛政，恢复汉朝官制，地主武装纷纷前来归附。势力渐渐壮大，在黄河以北站稳了脚跟。
当时，河北地区的铜马、青犊等部农民起义军尚有百万之众。刘秀采取避实击虚的战略，首先对分散在冀州、兖州一带(今河北、山东、河南三省交界地区)的农民起义军进行残酷镇压。势力强大后，又打败力量较强的铜马、青犊等农民军。然后用诱降手段收编了一些零散的农民军。这样，黄河以北的地盘都为刘秀所有。接着，刘秀又趁赤眉军出兵西进之机，两路出击，扩充势力，一路自河北南下，夺取原赤眉军的地盘；一路从河北往西，进攻并州(今山西省)。两路军所指之处，攻无不克，捷报频传，势力进一步扩大，中原之地尽为刘秀所占。
刘秀得势，一些割据势力纷纷归附。在功臣诸将的拥戴下，刘秀于公元25年六月在虺(今河北高邑)正式即位称帝，年号建武，国号仍称汉，表示重建被王莽篡夺了的汉朝。后来又定都洛阳。
公元27年，赤眉军十万余人东归，在崤山被冯异打败，接着又在宜阳被刘秀伏兵包围，损失惨重，樊崇等被迫投降。同年夏，樊崇、逢安等再图起义，被刘秀镇压。接着，刘秀又先后镇压了荆州、河北、河南各地起义军余部。
历时十年的绿林、赤眉农民大起义虽然失败了，但英勇的农民起义军推翻了王莽的黑暗统治，沉重地打击了封建地主阶级，广大农民夺取了一部分土地，大量的奴婢也得到了解放。
刘秀镇压赤眉起义军后，基本上控制了黄河中、下游地区，但当时全国尚有一些地方割据势力。在以后的十年兼并战争中，刘秀先后消灭了地方上的封建割据势力，于公元36年统一了全国。刘秀重建的汉朝由于定都洛阳，位于长安东面，史称东汉，刘秀即光武帝。