昆阳城的攻防战已经进行了20多天，汉军人少粮缺，作战的条件越来越艰苦。六月上旬的一天，城上的汉军往城外瞭望，忽然望见城南远处土岗的后面，扬起一片尘土，不一会，又隐约地听见一阵战鼓声和喊杀声。又过了一会，瞭望哨正式报告说：“刘秀率领的援兵到了。”最先听到这个消息的人争相传告，喜讯很快地传遍了全城，大家心里充满着希望，增强了胜利的信心。
刘秀等人把从定陵、郾城调来的几千援军，开到昆阳城郊，在离新军四、五里的地方，列成阵势，准备接战。刘秀观察了敌军阵势，决定先发制人。他亲自指挥步兵和骑兵1000人作前锋，向敌军勇猛地冲杀过去。王寻、王邑骄傲轻敌，认为汉军人少，只调几千人来迎战。汉军奋勇进攻，一下子就杀死了许多敌军。经过这场小的战斗，刘秀发现新军士气低落，不愿作战，于是乘胜继续猛攻，又斩杀新军1000多人，取得了初战的胜利。
就在刘秀回到昆阳之前三天，王匡率领的汉军主力已经把宛城攻破，可是消息还没有传到昆阳，刘秀也不知道。为了鼓舞汉军士气，瓦解敌军斗志，刘秀根据自己的估计，制造了一个宛城已被攻克的战报，用箭射入昆阳城中；他还故意把另一封同样内容的信件丢失，让新军拾去传播。这一重大消息一经传出，城内汉军受到极大的鼓舞，士气更加高涨，守城的信心更强了；城外新军苦战了一个月，未得尺寸进展，这回又听说宛城已经失守，士气更加消沉了。
刘秀看到新军士气越来越低落，认为杀敌取胜的条件已经成熟。他把3000名精兵组织成敢死队，迂回到城西南，出其不意地渡过昆水，向新军的大本营发起猛烈的冲击。一时间鼓号之声响彻云霄，喊杀之声震动天地。骄傲轻敌的王寻、王邑看到汉军兵力不多，仍然认为不堪一击，也不进行战斗部署，亲自指挥10000多人出阵迎击刘秀；并且命令其余各军不得擅自行动。汉军由于接连取得胜利，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，诸将又借口王邑已经下了“不许擅自行动”的命令，乐得按兵不动，因此汉军冲入新军阵内，竟没有遇到多少抵抗，无不以一当百，如入无人之境。汉军越战越强，猛攻猛打，势不可挡。没费多少工夫，就把王寻、王邑亲自指挥的一万多新军杀得大败。刘秀率领汉军乘胜追击，在阵上杀死了王寻。
在新军开始溃败的时候，王凤指挥城里汉军乘势杀出，夹攻新军。这时候的新军由于主帅阵亡，士气一落千丈，已经完全失去战斗力，像山崩一样的垮下来，将士们只顾争着逃命，互相冲撞践踏，死伤的人不计其数，那些虎、豹、犀、象等野兽也早已脱缰逃走。正当新军望风溃逃的时候，天空忽然阴暗下来，接着狂风呼啸，雷电轰鸣，大雨倾盆而下，昆阳城北的滍〔zhi治〕川立刻暴涨起来。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。事实上，新军被大水淹死的就有一万多人，尸体堵塞了滍川，几乎使水都流不动了。王莽的几十万大军，就这样死的死，伤的伤，逃的逃，完全土崩瓦解了，王邑侥幸没被杀死，可早已吓得魂飞魄散，慌忙同严尤、陈茂等少数人骑着马，踩着新军尸体，渡过滍川，狼狈地逃回洛阳去了。
昆阳大捷以后，汉军又以风扫残云之势进攻洛阳和长安。十月间，王莽在长安被杀，新朝的罪恶统治被推翻了。
昆阳之战，是绿林农民起义军推翻王莽政权的一次正义战争，也是一次以少胜多的著名战例。汉军以少胜多的根本原因是广大农民痛恨王莽，要推翻他的残暴统治。双方军队都是由农民组成的，汉军勇猛作战，以一当十，新军不愿打仗，临阵溃逃，都是农民反对王莽统治的表现。因此可以说，昆阳之战的辉煌战果，是双方农民共同取得的。从军事指导上说，汉胜新败，一方面是由于王寻、王邑不懂兵法，盲目轻敌，主观指导错误。另一方面，汉军在强敌围攻面前，采取积极防御，坚守待援的正确方针，在战斗中，充分发挥了不畏强敌，勇敢作战，力争胜利的革命英雄气概，再加上王凤、刘秀等人沉着应战，正确指挥，终于取得了决定性的胜利。