昆陽城的攻防戰已經進行了20多天，漢軍人少糧缺，作戰的條件越來越艱苦。六月上旬的一天，城上的漢軍往城外瞭望，忽然望見城南遠處土崗的後面，揚起一片塵土，不一會，又隱約地聽見一陣戰鼓聲和喊殺聲。又過了一會，瞭望哨正式報告說：「劉秀率領的援兵到了。」最先聽到這個消息的人爭相傳告，喜訊很快地傳遍了全城，大家心裡充滿著希望，增強了勝利的信心。
劉秀等人把從定陵、郾城調來的幾千援軍，開到昆陽城郊，在離新軍四、五里的地方，列成陣勢，準備接戰。劉秀觀察了敵軍陣勢，決定先發制人。他親自指揮步兵和騎兵1000人作前鋒，向敵軍勇猛地衝殺過去。王尋、王邑驕傲輕敵，認為漢軍人少，只調幾千人來迎戰。漢軍奮勇進攻，一下子就殺死了許多敵軍。經過這場小的戰鬥，劉秀髮現新軍士氣低落，不願作戰，於是乘勝繼續猛攻，又斬殺新軍1000多人，取得了初戰的勝利。
就在劉秀回到昆陽之前三天，王匡率領的漢軍主力已經把宛城攻破，可是消息還沒有傳到昆陽，劉秀也不知道。為了鼓舞漢軍士氣，瓦解敵軍鬥志，劉秀根據自己的估計，製造了一個宛城已被攻克的戰報，用箭射入昆陽城中；他還故意把另一封同樣內容的信件丟失，讓新軍拾去傳播。這一重大消息一經傳出，城內漢軍受到極大的鼓舞，士氣更加高漲，守城的信心更強了；城外新軍苦戰了一個月，未得尺寸進展，這回又聽說宛城已經失守，士氣更加消沉了。
劉秀看到新軍士氣越來越低落，認為殺敵取勝的條件已經成熟。他把3000名精兵組織成敢死隊，迂迴到城西南，出其不意地渡過昆水，向新軍的大本營發起猛烈的衝擊。一時間鼓號之聲響徹雲霄，喊殺之聲震動天地。驕傲輕敵的王尋、王邑看到漢軍兵力不多，仍然認為不堪一擊，也不進行戰鬥部署，親自指揮10000多人出陣迎擊劉秀；並且命令其餘各軍不得擅自行動。漢軍由於接連取得勝利，膽氣更壯。而新軍士兵大都是臨時脅迫來的農民，他們痛恨王莽，都不願意打仗，諸將又借口王邑已經下了「不許擅自行動」的命令，樂得按兵不動，因此漢軍沖入新軍陣內，竟沒有遇到多少抵抗，無不以一當百，如入無人之境。漢軍越戰越強，猛攻猛打，勢不可擋。沒費多少工夫，就把王尋、王邑親自指揮的一萬多新軍殺得大敗。劉秀率領漢軍乘勝追擊，在陣上殺死了王尋。
在新軍開始潰敗的時候，王鳳指揮城裡漢軍乘勢殺出，夾攻新軍。這時候的新軍由於主帥陣亡，士氣一落千丈，已經完全失去戰鬥力，像山崩一樣的垮下來，將士們只顧爭著逃命，互相衝撞踐踏，死傷的人不計其數，那些虎、豹、犀、象等野獸也早已脫韁逃走。正當新軍望風潰逃的時候，天空忽然陰暗下來，接著狂風呼嘯，雷電轟鳴，大雨傾盆而下，昆陽城北的滍〔zhi治〕川立刻暴漲起來。風聲、雷聲、雨聲、水聲和漢軍的喊殺聲匯成一片，簡直要把喪魂落魄的新軍淹沒了。事實上，新軍被大水淹死的就有一萬多人，屍體堵塞了滍川，幾乎使水都流不動了。王莽的幾十萬大軍，就這樣死的死，傷的傷，逃的逃，完全土崩瓦解了，王邑僥倖沒被殺死，可早已嚇得魂飛魄散，慌忙同嚴尤、陳茂等少數人騎著馬，踩著新軍屍體，渡過滍川，狼狽地逃回洛陽去了。
昆陽大捷以後，漢軍又以風掃殘雲之勢進攻洛陽和長安。十月間，王莽在長安被殺，新朝的罪惡統治被推翻了。
昆陽之戰，是綠林農民起義軍推翻王莽政權的一次正義戰爭，也是一次以少勝多的著名戰例。漢軍以少勝多的根本原因是廣大農民痛恨王莽，要推翻他的殘暴統治。雙方軍隊都是由農民組成的，漢軍勇猛作戰，以一當十，新軍不願打仗，臨陣潰逃，都是農民反對王莽統治的表現。因此可以說，昆陽之戰的輝煌戰果，是雙方農民共同取得的。從軍事指導上說，漢勝新敗，一方面是由於王尋、王邑不懂兵法，盲目輕敵，主觀指導錯誤。另一方面，漢軍在強敵圍攻面前，採取積極防禦，堅守待援的正確方針，在戰鬥中，充分發揮了不畏強敵，勇敢作戰，力爭勝利的革命英雄氣概，再加上王鳳、劉秀等人沉著應戰，正確指揮，終於取得了決定性的勝利。