这时，驻守昆阳的汉军只有八九千人。汉军将领中有人见新、汉两军众寡悬殊，主张放弃昆阳，散归荆州各地；刘秀反对上述主张，他分析当时的军事形势说：“现在我们兵少粮缺，敌人兵力强大，如果我们能够集中力量抗击敌人，还有取胜的希望；如果分散兵力，就只能被敌人各个击破，谁也不能单独保全。况且我军主力还没有攻下宛城，一时不可能来援救。如果昆阳被新军攻破，我们就拿不下宛城，拿下了也保不住。只要一天的时间，我们就全完了。”汉军正在议论间，敌人的前锋已逼近昆阳城北，后续部队也在源源不断地开来。这时，军情十分紧急，大家彼此观望，谁也提不出好的办法来。当时刘秀只有二十九岁，又是一员偏将，在以前的战斗中，也没有什么突出表现，因此平时并不为人们所重视。在紧急关头，他表现得这样坚定沉着，又能提出一整套御敌方案，人们开始对他的意见表示注意。经过反复研究，决定由王凤、王常留守昆阳，派刘秀、李轶等十三人，突围出城，到定陵、郾城去调集援兵，夹击新军。

王寻、王邑率领新军，围攻昆阳城，一开始就遭到汉军的顽强抵抗。新军大将严尤同汉军作战吃过苦头，向王邑建议说：“昆阳城小而坚，不容易一下子打下来。现在汉军的主力在宛城，应该先击败宛城的汉军，到那时昆阳可不攻自下。”王邑骄傲地说：“现在我们统领百万大军，如果连一个小小的昆阳城都攻不下来，那还有什么威风可说呢？”他还疯狂地叫喊：“我一定要血洗昆阳，踏着血迹，前歌后舞地前进，那该多痛快呀！”王寻、王邑使用全部兵力，把昆阳城层层包围起来，命令士兵挖掘地道攻城，并用冲车猛烈地撞击城门。王邑又命新军推出十多丈高的“云车”（专门用来攻城的战车），靠近城墙。云车上的士兵居高临下，对着城中放箭和发射石块。新军的箭矢和石块象雨点般地向城中射来。在新军的猛烈攻击下，汉军坚守危城，顽强抵抗。严尤见昆阳屡攻不下，再次向王寻、王邑建议说：“围城必须网开一面，好让汉军跑到宛城方面宣扬我军声威，造成恐怖，以动摇汉军军心。”王寻、王邑认为攻破昆阳，是早晚之间的事，根本不去考虑严尤的意见。

六月初一这天，天空万里无云，骄阳似火。当攻防战正在激烈进行的时候，城上的汉军忽然从垛口的缝隙处，望见南面山风的后面，尘土飞扬，腾空而起；不一会，又隐约地听见从远处传来马嘶声和喊杀声。他们心里有些明白。又过了一会，瞧望哨报告说：“刘秀率领的援兵到了！”城中军民听到这个消息，都象久旱逢甘雨一般，互相转告，喜讯很快传遍了全城。

刘秀等人把从定陵、郾城调集来的援军数千人，开到距新军主力四、五里的地方，布下阵势，准备战斗。王寻、王邑骄傲自大，根本未把刘秀带领的几千人马放在眼里，轻率地决定派几千人前去迎战。刘秀决定先发制人，亲自指挥步骑兵一千人做前锋，向敌人展开了猛烈的冲击，斩杀敌军数十人；于是军心大振，乘胜继续猛攻，又斩杀敌军近千人，取得了初战的胜利。

这时候，宛城已被汉军攻下，但是消息还没有传到昆阳，刘秀也不知道。为了鼓舞汉军士气，动摇敌人军心，刘秀制造了一个宛城已被攻克的战报，用箭射入昆阳城中；同时，他还故意把同样内容的军报遗落到王莽军中。这个重大消息一经传出，汉军无不兴高采烈，勇气倍增；新军人人咋舌，个个吃惊，士气一落千丈！有利的形势，转化到汉军方面来了。

刘秀看到战机成熟，他亲自率领三千名精兵，作为突击队，在一天的拂晓，迂回到昆阳城西，向新军的大本营发起猛烈突袭。一时间，鼓号之声响彻云霄，喊杀之声震动天地，把新军从梦中惊醒。王寻、王邑见汉军兵力不多，仍然认为不堪一击，下令各军坚守阵地，没有将令，不得擅自行动。他们亲自指挥万余人出阵迎击刘秀。汉军由于接连胜利，胆气更壮；而新军士兵大都是临时胁迫来的农民，他们痛恨王莽，都不愿意打仗；诸将又借口“不许擅自行动”的命令，乐得按兵不动。因此，汉军冲入新军阵中，竟没有遇到多少抵抗。斗志旺盛的汉军，猛冲猛打，新军招架不住，队形顿时大乱。在混战中，王寻被杀，新军四散逃窜。

新军兵败如山倒的情景，昆阳城上的守军看得一清二楚。王凤、王常指挥汉军乘胜杀出，夹击新军。在汉军的大举反攻中，王莽的几十万大军象山崩一样地溃败下来。他们争着逃命，互相冲撞践踏，死伤不计其数。天公也好象有意同新军开玩笑似的，正当新军溃逃的时候，忽然狂风呼啸，雷声轰鸣，天昏地暗，大雨倾盆，昆阳城北的滍（zhi志）川也暴涨起来。风声、雷声、雨声、水声和汉军的喊杀声汇成一片，简直要把丧魂落魄的新军淹没了。新军中的虎、豹、犀、象等野兽，在这样少见的恶劣天气中，吓得四腿打颤，早已脱缰逃散了。在汉军的追击下，新军掉到水里淹死的就有一万多人。淄川被新军的尸体堵塞，水都不能畅流了。只有王邑、严尤率领几千人，骑着马，踩着新军尸体，渡过滍水。狼狈地逃回洛阳。汉军取胜后，又分兵两路，以风扫残云之势，攻下洛阳和长安，推翻了王莽的统治。

昆阳之战是绿林起义军推翻新莽政权的一次正义战争，也是一次以弱胜强的著名战例，在我国古代的战争史上写下了光辉的一页。