六月，援军终于抵达昆阳城外，整装待发，昂然逼近王莽大军。王邑和王寻对刘秀的援军不屑一顾，仅派出几千人前去应对。然而，援军在刘秀的指挥下越战越勇，瞬息间竟将王邑军队斩杀千余人。
正当昆阳绿林军欢欣鼓舞之际，久被围困的宛城实际上已被绿林军攻破。由于缺乏支援，守城将领岑彭最终选择投降。然而，这一消息还未传至昆阳，刘秀和王邑均不知情。尽管如此，刘秀为了提振士兵士气，故意传播绿林军已夺取宛城的假消息。王邑闻讯大惊失色，王莽军士兵听说后士气大跌，纷纷思归，丧失了战斗意志。
初战告捷后，刘秀决心瞄准王莽军的核心力量，即由王邑和王寻所把控的指挥中心，力求尽快终结战事。刘秀从绿林军中精心挑选了三千名骁勇善战的勇士，秘密绕至昆阳城西侧，打算对王邑和王寻发动突袭。王邑和王寻察觉到刘秀的意图，但却轻视了他的战斗力，只带领了一万兵马正面迎敌，并严令其他士兵留在营地，除非得到他们亲自的指令，否则不得擅自支援。
尽管刘秀的兵力处于绝对劣势，但其士兵个个以一当十，斗志昂扬；反观王莽军，士气低落，人心涣散，难以形成有效的抵抗。在绿林军雷霆般的攻势下，王莽军连连败退，营地中的士兵虽急于援救，但慑于王邑和王寻的严令，只能焦急地旁观。不久，刘秀成功摧毁了王莽军的指挥中心，王寻在混战中丧命。昆阳城内的绿林军见状，判断王邑已失去指挥，果断打开城门，倾巢而出，对王莽军实施夹击。
腹背受敌且失去主将的王莽军顿时陷入了混乱，士兵们无心恋战，争相逃命。此时天地变色，风雨交加，雷电怒吼，慌乱逃窜的王莽军被绿林军紧紧追赶，许多人因拥挤踩踏而死，尸横遍野；另有不少人慌不择路，溺毙于河流之中，尸体堆积如山，甚至堵塞了河水的流淌。
王邑、严尤等将领仅率少量残兵败将退回洛阳，王莽闻讯后震怒而又惊恐。昆阳之战中，王莽军的主力被绿林军几乎全歼，而刘秀精准的指挥艺术和冷静明智的决策，无疑成为了绿林军取胜的关键要素。
昆阳战役结束后，绿林军内部出现了裂痕，更始帝刘玄为了稳固自身的统治地位，担忧刘演和刘秀兄弟俩势力过大，便在他人撺掇下找借口诛杀了刘演。刘秀则表现出顺从的姿态，行事低调谨慎，最终赢得了刘玄的信任，被封为武信侯，这一步棋也为他日后建立东汉王朝奠定了坚实的基础。