做好戰前準備之後，劉秀就領著自己部隊向昆陽地區的新軍進攻，為了持續打擊新軍的士氣，劉秀自領一千人馬為前鋒，李軼率主力跟進。
    王邑、王尋見劉秀隻領如此少的人馬向自己進攻，可能也出於不屑，隻派出了數千兵馬迎戰，結果被劉秀軍先是一輪衝鋒，折損數十人，然後劉秀得勢不饒人，帶著自己所部直衝新軍這數千人，最後大破新軍，斬殺近千人。
    如此一來，劉秀所部大受鼓舞，反之新軍士氣更是低落，隨後劉秀領著自己的這些人馬，在昆陽外圍與新軍周旋，屢屢取得勝利，斬獲不少，進一步瓦解了新軍的戰鬥士氣，鼓舞昆陽城內漢軍軍民的鬥誌。
    之後劉秀更是把寫有宛城漢軍已獲勝，漢軍即將增援昆陽的密信，射進昆陽城內，同時也轉落到新軍手中，引起新軍統帥王邑、王尋的恐慌。
    而新軍上下將士更是疑懼不已，小小一個昆陽，己方數十萬大軍苦戰一個多月，都沒能攻破，如若再加上宛城的十萬漢軍，則更無法對付了。
    至此新軍士氣可謂跌至冰點，劉秀於是看準機會，率領三千人敢死隊，自城西衝擊新軍的中堅，王邑、王尋見劉秀兵少，又擔心各營由於士氣影響，輕動容易引發混亂，於是便率領萬餘人出陣迎戰劉秀。
    誰知道王邑、王尋太過低估劉秀，劉秀所部在劉秀的率領之下，異常勇猛，輕易就打敗了王邑、王尋所部。
    而新軍營中多的其他兵馬，由於懾於劉秀的勇猛，竟然沒有兵馬主動出來救援新軍主帥王邑、王尋兩人，致使王邑、王尋所部被劉秀部隊追上，王尋被殺，整支部隊也被擊潰了。
    王尋被殺，王邑於亂軍之中失去音訊，新軍數十萬兵馬頓時失去了指揮中樞，漸漸混亂起來，這個時候昆陽城中的漢軍，也得到了城外劉秀取得勝利的信息，於是也衝出城門，內外夾攻新軍。
    新軍失去指揮，本來又是各州郡拚湊起來的大軍，於是四十多萬大軍迅速土崩瓦解，四散奔逃，相互推擠，“走者相騰踐，伏屍百餘裏”。
    悲劇的是，新軍敗逃的時候，恰恰碰上大風和大雷雨，屋瓦被大風刮走，大雨傾盆而下水暴漲，王邑軍隨隊的虎豹都嚇得發抖，新軍士卒掉入水中淹死的有萬餘人，滍川被屍體堵塞得幾乎斷流。
    此役漢軍繳獲了新軍的全部軍用物資，各種東西堆積如山，一連搬了一個多月還沒搬完，王邑隻帶領著千餘殘兵一氣奔逃到了洛陽，王莽得知此戰之敗後，異常震驚，整個新莽朝廷上下也為之驚恐不已。
    新朝一戰基本喪失了手上所有能夠直接控製的軍隊，自此再無力鎮壓天下，各州郡豪強紛紛起兵誅殺新朝官員，恢複漢室年號，隻待綠林軍到來。
    不久之後，綠林軍就長驅直進，先後收複洛陽和長安，誅殺王莽，新朝自此滅亡，更始帝劉玄便開始在長安號令天下了。
    但是，綠林軍在大勝之後，內部矛盾也逐漸升級，更始帝劉玄更是殺了當時最大的功臣劉演，使得劉秀開始離心，密謀自立，為後來劉秀與赤眉軍一起攻滅綠林軍埋下了禍根。
    昆陽之戰，聚殲了王莽賴以維持統治的軍隊主力，為起義軍勝利進軍洛陽、長安，最終推翻新莽統治創造了有利的條件，更使得劉秀的威名傳遍天下，為日後劉秀建立東漢打下了堅實的基礎。
    明末大儒王夫之在《讀通鑒論》中就點評道：“昆陽之戰，光武威震天下，王業之興肇此矣。”，明代大思想家顧炎武讚揚昆陽之戰中的劉秀：“一戰摧大敵，頓使海宇平”，可見昆陽之戰細究起來，當是東漢立國之戰，後世對此戰也有諸多傳說。
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