严尤劝说王邑说：“昆阳城小但坚固，现在假冒帝王称号的人在宛城，请速派大兵前往，他们一定逃走；宛城敌人被打败了，昆阳自然降服。”王邑说：“我过去曾以虎牙将军的身份围攻翟义，因为没能将他生擒，所以受到责备。今天率领百万大军，又遇到敌人据守的城池而不能攻取，如何交待？”于是王邑围绕昆阳城设下数十道防线，建立成百座营地，竖起云车高十余丈，靠近昆阳俯视城中，各类旗帜遮盖了田野，人马搅得尘埃满天，敲鼓击钲的军乐声传出数百里之远。莽军有的挖掘地道攻城，有的用冲车撞城击和用篷车攀城。大批弓箭手连续不断发射，箭如雨下，城中军民不得不背着门板而打水。王凤等人乞求投降，遭到拒绝。王寻、王邑自以为胜利已为时不远，神态十分安闲，晚上有流星坠落在王莽军营地之中，白天有云，形如山丘，从营地上空直落而下，离地一尺左右才消散开来，莽军将士全部都匍匐在地上跪拜。
六月初一，光武即与各部人马一齐出发，自己亲自率步、骑兵一千余人，在离莽军大约四五里的地方排开阵势。王寻、王邑也派兵数千人前来交战。光武冲进敌营，斩下数十名敌军首级。其他各部将士高兴地说：“刘将军平生见到小撮敌人就害怕，今天遇到强敌却勇猛无畏，真叫人奇怪！而且他还是继续在前，请让我们帮助将军！”光武再次进攻，王寻、王邑派出的军队退去，义军各部一同乘机进攻，杀死莽军数百近千人。义军连续获胜，于是继续向昆阳进军。此时伯升攻战宛城已有三天了，而光武还不知道，于是派人伪装成宛城的使者携带书信通知昆阳守军，说：“宛城的救兵即刻赶到。”却故意丢失了这封书信。王寻、王邑得知后，十分不快。
义军众将领屡战屡捷，气势更壮，无不以一当百。光武就与三千名敢死队员，从城西涉水直扑莽军的中军，王寻、王邑的阵势大乱，义军一鼓作气打垮敌军，于是杀死了王寻。昆阳守军也击鼓呐喊着冲出来，内外夹击，喊杀声惊天动地，莽军溃退，逃跑的士兵互相践踏，死尸僵卧在百余里的路上。恰逢雷声大作，狂风骤起，屋瓦全被风刮得乱飞，暴雨如注，滍水水势猛涨，吓得虎豹都四肢颤抖，士兵们争着渡河，淹死的人数以万计，河水为之断流。王邑、严尤、陈茂轻装骑马踏着死尸渡河逃走。义军全部缴获了莽军的各种军用物资，兵车、盔甲和珍宝，多得无法计算，运了几个月都没运完，有人就把剩余的物资烧掉了。
光武再接再厉夺取颍阳。恰在此时，伯升被更始帝杀害，光武从父城赶回宛城请罪。伯升司徒府的属吏迎接光武并表示同情，光武不方便述说心里话，只能沉痛地引咎自责而已。他未曾自我吹嘘昆阳的功劳，又不敢为伯升服丧，吃饭说笑如同平时一样。更始因此心中有愧，便任命光武为破虏大将军、封为武信侯。
九月初三，三辅的豪杰共同杀死了王莽，将他首级送到宛城。更始帝将北上建都洛阳，以光武兼管司隶校尉事，命令他前去整修宫室和官府。于是光武任命了属吏，写好文书发到各属县，行使起督促文书，察举非法的职责，一切按照汉朝的旧规矩办事。当时三辅地区的官吏和士人到洛阳城东迎接更始帝，看见诸位将军经过，都是头上戴帻，身穿如同妇女所穿的衣裳，即珠玉和绣裙之类，都觉得可笑，甚至有人害怕不吉利而走掉了。等到看见司隶校尉的部下，都高兴得不知如何是好，老年的官吏有的流着泪说：“不想今天还能重新看到汉朝官员的威仪！”从此有识之士都倾心于光武。
等到更始帝到达洛阳，就派光武以破虏将军的身份代理大司马事务。十月，他持节向北渡过黄河，招抚河北各州郡。所到郡县，便接见二千石、长吏、三老、官属，下至一般佐史，考察政治得失，如同州牧巡行辖区一样。他每到某地就审查释放囚徒，革除王莽苛政，恢复汉朝官吏的名称。吏民欢欣鼓舞，争着带上牛肉和酒，迎接慰劳光武一行人。进入邯郸，原赵缪王之子刘林劝说光武道：“赤眉军现在在河东，只要决堤放水淹他们，百万赤眉军全成为鱼。”光武不理睬，又前往真定。刘林于是诡称卜者王郎是成帝的儿子刘子舆。十二月，拥立王郎为天子，建都邯郸，并派遣使者劝降了许多郡国。
二年正月，光武看到王郎一兴起就比较强大，于是向北攻取蓟县。王郎下达快递文书，悬赏十万户侯捉拿光武。而原广阳王之子刘接于蓟城中起义，以响应王郎。城内很混乱，谣言四起，人人惊恐，说邯郸使者刚刚到达，二千石以下官吏都前去迎接。于是光武急忙驱车南逃，无论白天黑夜都不敢进入城市，吃住全在道路旁。到达饶阳，部下全断了炊。光武就自称是邯郸使者，进入传舍。传舍的官吏刚送进食物，光武的随从因为饥饿，纷纷争抢食物。传吏怀疑他们是伪装的使者，就击鼓数十下，假称邯郸的将军来到，光武的部下都大惊失色。光武上车想逃，但是害怕出不去，慢慢回到座位，说：“请邯郸的将军进来。”过了许久他才驾车离去。传舍中的人远远地呼叫守护城门的人关闭大门。门长说：“天下形势还难预料，而能随便关闭长者吗？”于是光武得以从南门离去。
他们日夜兼程，冒着霜雪，天气正寒冷，脸都冻裂了。到了滹沱河，没有船只，恰好碰上河水结冰，得以通过，还没全部过完但后面的几辆车陷入河中，他们进入下博县城西，彷徨犹豫不知该向何方。有一个白衣老人在路边，指点他们说：“努力！信都郡仍忠于刘玄，离这里八十里。”光武立即奔赴信都，信都太守任光开门出迎。世祖因此征集附近各县的兵卒，得到四千人。先攻打堂阳、贳县，二城全都降服。王莽和成卒正邳彤也率全郡归降。又昌城人刘植、宋子人耿纯，各领宗亲子弟，占领各自的县城，以拥护光武。先帝于是北上迫降下曲阳，兵马初步集结，乐意投靠的人达到数万人。接着向北进攻中山，夺取卢奴。他所过之处调发“奔命”兵，向周围各郡传递文书，要求共同打击邯郸势力，郡县又再次响应号召。他又南下进攻新市、真定、元氏、防子，都一一占领下来，因此进入赵国地界。
当时王郎大将李育驻扎在柏人，汉兵不了解情况而进军，前部偏将军朱浮、邓禹被李育打败，丧失了辎重。光武在后面听说此事，收容了朱浮、邓禹的溃散的士兵，与李育大战于柏人的外城城门，大获全胜，全部夺回了被李育缴获的物资。李育退守城池，光武攻不下，就率军夺取广阿。恰好上谷太守耿况、渔阳太守彭宠各派他们的将领吴汉、寇恂等人统帅骑兵来协助攻打王郎，更始帝也派遣尚书仆射谢躬讨伐王郎，光武因而大肆慰劳士兵，于是东进围困巨鹿。王郎守将王饶坚守，经过一个多月仍攻打不下。王郎派将军倪宠、刘奉领兵数万援救钜鹿，光武迎战于南栾，斩杀数千人。四月，先帝围攻邯郸，屡战屡胜。五月初一，先帝攻取邯郸，处死王郎。收缴文书，得到自己部下向王郎联络或诽谤自己的信件数千封。光武不查看，集合众将领当面把信烧掉，说：“我只是让为此事担扰的人心安。”
更始帝派侍御史持节封光武为萧王，命令他遣散军队回到更始帝身边。光武以河北地区尚未平定作为理由推辞，不应征召，从此开始脱离更始帝。
那时长安政治混乱，四方叛离。梁王刘永专命于睢阳，公孙述称王于巴、蜀，李宪自立为淮南王，秦丰自号楚黎王，张步起义于琅邪，董宪起义于东海，延岑起义于汉中，田戎起事于夷陵，都各自任命将帅，侵占郡县。又有各种名号的贼兵如铜马、大肜、高湖、重连、铁胫、大抢、尤来、上江、青犊、五校、檀乡、五幡、五楼、富平、获索等，各自率领部队，人数合计达数百万人，在当地劫掠。
光武将攻击诸寇贼，先派遣吴汉到北方征发十郡兵马。幽州牧苗曾不听从调兵，吴汉就斩杀苗曾而统治了他的部下。秋天，光武进攻铜马于鄹县，吴汉率领骑兵来到清阳会合。贼兵多次挑战，光武坚守营垒，贼兵有出外抢掠的人，就发兵消灭他们，断绝了贼兵的粮道。过了一个多月，贼兵粮食吃光，乘夜色逃去，光武追击到馆陶，大败贼军。接受投降一事尚未结束，而高湖、重连军从东南方前来，与铜马残部会合，光武又与他们在蒲阳大战，全部打败并降服了他们，封他们首领为列侯。俘虏们仍然心中不安，光武懂得他们的心意，命令他们各自回营整顿队伍，于是自己轻装骑马一一巡视各部队列。俘虏们互相说道：“萧王以赤心待我们，我们怎能不以死报效呢！”从此他们都顺服。光武把俘虏们全部分配给各位将领，士兵于是多达数十万，因而关西称光武为“铜马帝”。赤眉一个别帅与大肜、青犊军共十万人驻扎射犬，光武进击，打败他们，各军全都逃散。先帝又派吴汉、岑彭袭杀谢躬于邺城。
青犊、赤眉贼开进函谷关，进攻更始帝。光武就派遣邓禹率领六员副将引兵向西进军，以利用更始、赤眉相争的动乱时机。当时更始帝派大司马朱鲔、舞阴王李轶等屯守洛阳，光武也命令冯异据守孟津予以抗衡。
建武元年春正月，平陵人方望拥立原来的孺子刘婴为天子，更始帝派遣丞相李松进攻并杀了他们。光武帝北上进攻尤来、大抢、五幡军于元氏，追击到右北平，连续打败他们。又战于顺水之北，乘胜追击，反而被打败。贼兵追击得很紧，短兵相接，光武自己从山坡上跳下去，遇到突骑王丰，王丰下马让给光武，光武扶着王丰的肩膀上马，回过头来笑着对耿弇说：“几乎被敌人耻笑！”耿弇频频射箭击退贼兵，才得以逃脱。光武的士兵死了数千人，撤兵回来后退守范阳。军中不见光武，有人说他已战死，众将不知如何是好。吴汉说：“大家努力！萧王哥哥的儿子在南阳，别担心没有主公。”众人恐惧，几天以后才安定下来。贼兵虽然取胜，但平时折服于汉军军威，客主双方互不摸底，晚上就撤走了。大军重又前进到安次，与敌交锋，击败他们，斩首三千余人。贼兵退入渔阳，于是派遣吴汉率领耿弇、陈俊、马武等十二位将军追击于潞县之东，一直进抵平谷，大败并消灭了贼军。
朱鲔派遣讨伐将军苏茂进攻温县，冯异、寇恂与他们交锋，大败敌军，斩杀苏茂的将领贾强。于是众将商议给光武上尊号，马武先向光武进言：“天下无主。如果有圣人利用天下凋敝的时候崛起，我们就算有仲尼为相，孙子为将，也恐怕难有作为。覆水难收，后悔莫及。大王虽然执意谦让，然宗庙社稷怎么办！应该返回蓟县登基，再商议征伐的事情。否则现在能说谁是逆贼而放手攻打他们呢？”光武震惊地说：“将军为何说出这样的话？该斩首了！”马武说：“众将领都这样说。”光武让他出去劝说众将。于是光武引军回到蓟县。
夏四月，公孙述自称天子。光武从蓟县返回，路过范阳，下令埋葬以前阵亡的将士。抵达中山，众将又上奏说：“汉朝遭遇王莽之乱，宗庙废弃，祭祀断绝，豪杰愤怒，众民惨遭涂炭。大王与伯升首举义兵，更是凭靠你们的努力才得以占有帝位，而不能维护好大业，破坏搅乱了纲纪，盗贼日益增多，百姓处于危难和窘境之中。大王初征昆阳，王莽不战自败；后来夺取邯郸，河北的州郡归顺平定；三分天下而有其二，占有数州领土，军队多达百万。论武力没有人敢于对抗，论文德更是无可挑剔。臣等听说帝王之位不可以长久空着，天命不可以谦让拒绝，愿大王一心以社稷为重，以百姓为念。”光武又不听从。
行进到南平棘，众将又坚决请求光武登基。光武说：“贼寇尚未平定，四面受敌，怎么能立即考虑号位的事呢？诸位将军暂且出去吧。”耿纯又进来说：“天下士大夫抛弃亲戚，别离故土，追随大王于箭石横飞的战场，他们的打算原本是想攀龙鳞，附凤翼，以实现建功立业的志向。现在功业已完成，天人也相迎合，而大王拖延良机而违逆众心，不定尊号，我恐怕士大夫失去希望，走投无路，就会有离去而归家的想法，不愿长此苦守下去。大军一旦离散，难以再度招集。良机不可久留，众心不可违背。”耿纯言辞十分诚挚恳切，光武深受感动，说：“我将考虑这件事。”
进抵鄗城，与光武过去同在长安居住求学的强华从关中送来赤伏符，符文写道：“刘秀发兵捕不道，四夷云集龙斗野，四七之际火为主。”群臣因而再次上奏道：“请您承受天命之符，与之相应当居大位，相距万里而符信相合，不经商议而情思相同，周代的白鱼之信，怎能与这相比！现今上无天子，海内混乱，符面所示，昭然若揭，应该顺从天神的意愿，以满足大家的希望。”光武于是命令有关部门设立坛场在鄗县城南千秋亭的五成陌。
六月二十二日，先帝即皇帝位。烧柴祭告上天，升烟以享六宗，望祭群神。祭祀祝文说：“皇天上帝，后土神只，垂青于我而降下天命，将百姓托付给我刘秀，为人父母，秀不敢当。手下群臣，不谋而合，都说：‘王莽篡位，刘秀发愤起兵，攻破王寻、王邑于昆阳，杀王郎、铜马于河北，平定天下，海内蒙受恩惠。上应天地之心，下为百姓所归。’谶记说：‘刘秀发兵收捕不道，卯金修德为天子。’秀仍然坚持，一而再，再而三推辞。群臣都说：‘皇天大命，不可拖延。’敢不恭敬受命。”于是定年号为建武，大赦天下，改鄗县名为高邑。
这个月，赤眉军拥立刘盆子为天子。
二十七日，前将军邓禹攻击更始定国公王匡于安邑，大败王匡，斩杀将领刘均。秋天七月五日，先帝拜前将军邓禹为大司徒。十一日，又以野王令王梁为大司空。十六日，而大将军吴汉为大司马，偏将军景丹为骠骑大将军，大将军耿弇为建威大将军，偏将军盖延为虎牙大将军，偏将军朱佑为建义大将军，中坚将军杜茂为大将军。当时宗室刘茂自号“厌新将军”，率众军投降，封为中山王。
八月初三，先帝驾临怀县，派遣耿弇率领强弩将军陈俊驻扎五社津，守备荥阳以东。派吴汉率领朱佑以及廷尉岑彭、执金吾贾复、扬化将军坚镡等十一位将军，在洛阳围困朱鲔。
八月十六日，先帝祭祀社稷。十七日，拜祭高祖、太宗、世宗于怀县离宫。进抵河阳，更始廪丘王田立归降。
九月，赤眉军攻入长安，更始帝逃到高陵。六月，先帝下诏书说：“更始失败，弃城逃走，妻子儿女流落街头。朕非常怜悯他们。今天封更始为淮阳王。吏民有敢于伤害他们的，罪与大逆相同。”十九日，命原密县县令卓茂为太傅。二十六日，朱鲔举城投降。
冬天十月十八日，先帝巡车驶进入洛阳，来到南宫却非殿，于是定都于此。派岑彭进攻荆州群贼。
十一月三十日，先帝驾临怀县。刘永自称天子。十二月十一日，从怀县返回洛阳。
赤眉军杀死更始帝，而隗嚣占据陇右，卢芳起兵于安定。破虏大将军叔寿进攻五校贼于曲梁，战死。