同年五月，王邑、王寻率军西出洛阳南下颍川与严尤、陈茂两部会合，迫使刘秀的部队不得不撤回昆阳。昆阳汉军仅九千人弃城退守荆州故地，刘秀说服众将领固守昆阳城，此时王莽大军已逼近，刘秀率13名骑兵乘夜出城调集步兵、骑兵一万七千人支援昆阳。王邑军向昆阳城挖掘地道，制造云车并发起进攻，昆阳守军坚守危城别无退路。
王莽大军此时久战疲惫锐气大减。刘秀万余人驰援昆阳，刘秀亲率千余精锐为前锋，反复猛冲，斩杀王莽军千余人，士气大振。随后又以勇士三千人迂回到敌军的侧后，偷渡昆水向王邑大本营发起猛烈的攻击。王邑下令各营勒卒自持不得擅自出兵，自行和王寻率及万人迎战，王邑兵马陷入困境，王寻战死，诸将未敢出援。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，互相践踏积尸遍野。此时突然大风飞瓦，暴雨如注，滍水暴涨，王莽军万余人涉水被淹死，滍水为之不流。新朝百万大军的主力就这样覆灭在昆阳城脚下，三辅震动，新莽政权瓦解。
更始元年九月，绿林军攻入长安，混战中王莽战死，新朝覆灭。昆阳之战是中国历史上以少胜多的战役，此战聚歼了王莽赖以维持统治的军队主力，最终为起义军进军洛阳、长安推翻新莽统治创造了有利的条件。昆阳之战它决定了新汉两军的命运和未来中原王朝数百年的国运，是中国历史上具有深远影响的一次战略决战。身为偏将军的刘秀一战而闻名天下，昆阳之战是刘秀击败王莽的关键一战，为刘秀在未来夺取天下奠定了坚实的基础。
刘秀的庙号世祖，谥号光武皇帝，后人多称呼为光武帝。巧合的是，在1897年8月16日-1907年8月2日期间，光武也是朝鲜王朝大君主、大韩帝国皇帝高宗李熙之年号，1897年8月16日改元光武，10月12日高宗称帝，改国号大韩帝国。李熙死后庙号高宗，因此通称朝鲜高宗，又称光武帝、李太王、韩高宗等。
