昆阳汉军仅九千人，众人恐恐，料想不敌，就想弃城退守荆州。刘秀认为“集中兵力可以取胜，分散兵力一个也跑不掉。史书上记载"合兵尚能取胜、分散势难保全”为由，说服诸将坚守昆阳城。新莽军队已逼近城北，刘秀率13名骑兵乘夜出城，赴定陵县、郾县调集援兵。协调步兵、骑兵一万七千精兵赴援昆阳。 骄兵覆没，新莽终结王邑等人自恃兵力强大，扬言：“百万之师，所过当灭，今屠此城，蹀血而进，前歌后舞，顾不快耶！”王邑军向昆阳城发起进攻，并挖掘地道，制造云车。
昆阳守军别无退路，坚守危城。双方激战数日，此时王莽军久战疲惫，锐气大减。刘秀于六月一日率领步骑万余人驰援昆阳。刘秀亲率千余精锐为前锋，斩杀王莽军千余人，汉军士气大振。随后又以勇士三千人，迂回到敌军的侧后，偷渡昆水（今叶县辉河），向王邑大本营发起猛烈的攻击。王邑依旧轻敌，下令各营自卫坚持，不得擅自出兵，他和王寻率及万人迎战，王邑兵马陷入困境，王寻战死，主将死后，诸将未敢出援，溃散。
昆阳守军见城外汉军取胜，乘势出击。王莽军大乱，纷纷夺路逃命，积尸遍野。其时大风飞瓦，暴雨如注，滍水暴涨，王莽军万余人争水被淹死，滍水为之不流。 状如当年刘邦在彭城溃败一样，睢水堵满尸体，水流不泄。百万新莽大军的主力覆灭于昆阳城下，关中震动，新莽政权土崩瓦解。更始元年九月，汉军攻入长安，王莽死于混战之中，新朝覆灭。
刘秀威名大震，让左右害怕。 君上疑臣，无不危国立下大功的刘秀，马不停蹄的攻城略地。刘秀的长兄大司马刘縯被更始帝所忌，无故被杀，对刘秀来说，无疑是一个极大的打击，但是刘秀能强忍悲伤，益发谦逊，而且悲愤不形于色。为了不受更始帝的猜忌，他急忙返回宛城向刘玄谢罪，对大哥刘縯部将不私下接触，虽然昆阳之功首推刘秀，但他不表昆阳之功，并且表示兄长犯上，自己也有过错。
更始帝本因刘縯一向不服皇威，故而杀之，见刘秀如此谦恭，反而有些自愧，毕竟刘秀两兄弟立有大功，故刘秀不但未获罪，反而得封武信侯。新莽王朝虽然覆灭，但是黄河以北各州郡都在持观望态度，未曾归附更始政权，赤眉军在山东发展迅速、声势日益壮大，还有“河北三王”、铜马、尤来、隗嚣、公孙述等等割据势力，刘赐对刘玄说：“刘秀是去河北招抚的最佳人选。
并且河北一带只能是刘秀去才合适。”再说，能不能摆平河北，决定更始政权的命运。当时南方流行一个童谣：“得不得，在河北。”可是以大司马朱鲔为代表绿林军出身的将领强烈反对刘秀出巡河北。当初刘玄杀刘縯，就是朱鲔和李轶的强烈提议，朱鲔他们不让刘秀去的原因很简单，不是他没有能力，而是他的能力太强了。刘玄很为难，朱鲔这边的反对意见也是很有道理的，让他去，刘秀势力壮大，太危险，不让他去，河北的招抚工作做不好，更危险。
就在刘玄犹豫不决的时候，冯异给刘秀出了一条锦囊妙计，冯异劝刘秀，一定要 想办法巴结左丞相曹竟，刘秀听从了冯异的建议，“厚结纳之”。 征战河北，积小成大更始元年（23年）十月，更始帝刘玄遣刘秀行大司马事北渡黄河，镇慰河北州郡。路上，刘秀的挚交邓禹杖策北渡，追赶上刘秀，对刘秀言刘玄必败，天下之乱方起，劝刘秀“延揽英雄，务悦民心，立高祖之业，救万民之命，以公而虑，天下不足定也！”邓禹的话，正合刘秀的心意。
刘秀到河北后不久，前西汉赵缪王之子刘林即拥戴一个叫做王郎的人在邯郸称帝，而前西汉在河北的另一王室、广阳王之子刘接也起兵相应刘林。 一时间，刘秀的处境颇为艰难，甚至有南返逃离河北之心，幸得上谷、渔阳两郡的支持，尤其是上谷太守耿况之子、少年英雄耿弇，一身豪气，对刘秀言道：“渔阳、上谷的突骑足有万骑，发此两郡兵马，邯郸根本不足虑”。
刘秀高兴的指着耿弇道：“是我北道主人也”。不久刘秀率军在更始帝派来的尚书令谢躬和真定王刘杨的协助下，攻破了邯郸，击杀了王郎等人。为了促成和真定王刘杨的联盟，刘秀亲赴真定王府，以隆重的礼仪迎娶了刘杨的外甥女——郭圣通，此时距刘秀在宛城迎娶阴丽华尚不足一年。 振翼展翅，拥军百万见刘秀在河北日益壮大，更始帝极为不安，他遣使至河北，封刘秀为萧王，令其交出兵马，回长安领受封赏，同时令尚书令谢躬就地监视刘秀的动向，并安排自己的心腹谢躬做幽州牧，接管了幽州的兵马。
