六月初一，光武即與各部人馬一齊出發，自己親自率步、騎兵一千餘人，在離莽軍大約四五裏的地方排開陣勢。王尋、王邑也派兵數千人前來交戰。光武衝進敵營，斬下數十名敵軍首級。其他各部將士高興地說：“劉將軍平生見到小撮敵人就害怕，今天遇到強敵卻勇猛無畏，真叫人奇怪！而且他還是繼續在前，請讓我們幫助將軍！”光武再次進攻，王尋、王邑派出的軍隊退去，義軍各部一同乘機進攻，殺死莽軍數百近千人。義軍連續獲勝，於是繼續向昆陽進軍。此時伯升攻戰宛城已有三天了，而光武還不知道，於是派人偽裝成宛城的使者攜帶書信通知昆陽守軍，說：“宛城的救兵即刻趕到。”卻故意丟失了這封書信。王尋、王邑得知後，十分不快。
義軍眾將領屢戰屢捷，氣勢更壯，無不以一當百。光武就與三千名敢死隊員，從城西涉水直撲莽軍的中軍，王尋、王邑的陣勢大亂，義軍一鼓作氣打垮敵軍，於是殺死了王尋。昆陽守軍也擊鼓呐喊著衝出來，內外夾擊，喊殺聲驚天動地，莽軍潰退，逃跑的士兵互相踐踏，死屍僵臥在百餘裏的路上。恰逢雷聲大作，狂風驟起，屋瓦全被風刮得亂飛，暴雨如注，滍水水勢猛漲，嚇得虎豹都四肢顫抖，士兵們爭著渡河，淹死的人數以萬計，河水為之斷流。王邑、嚴尤、陳茂輕裝騎馬踏著死屍渡河逃走。義軍全部繳獲了莽軍的各種軍用物資，兵車、盔甲和珍寶，多得無法計算，運了幾個月都沒運完，有人就把剩餘的物資燒掉了。
光武再接再勵奪取潁陽。恰在此時，伯升被更始帝殺害，光武從父城趕回宛城請罪。伯升司徒府的屬吏迎接光武並表示同情，光武不方便述說心裏話，隻能沉痛地引咎自責而已。他未曾自我吹噓昆陽的功勞，又不敢為伯升服喪，吃飯說笑如同平時一樣。更始因此心中有愧，便任命光武為破虜大將軍、封於武信侯。
九月初三，三輔的豪傑共同殺死了王莽，將他首級送到宛城。更始帝將北上建都洛陽，以光武兼管司隸校尉事，命令他前去整修宮室和官府。於是光武任命了屬吏，寫好文書發到各屬縣，行使起督促文書，察舉非法的職責，一切按照漢朝的舊規矩辦事。當時三輔地區的官吏和士人到洛陽城東迎接更始帝，看見諸位將軍經過，都是頭上戴幘，身穿如同婦女所穿的衣裳，即諸於和繡之類，都覺得可笑，甚至有人害怕不吉利而走掉了。等到看見司隸校尉的部下，都高興得不知如何是好，老年的官吏有的流著淚說：“不想今天還能重新看到漢朝官員的威儀！”從此有識之士都傾心於光武。
等到更始帝到達洛陽，就派光武以破虜將軍的身份代理大司馬事務。十月，他持節向北渡過黃河，招撫河北各州郡。所到郡縣，便接見二千石、長吏、三老、官屬，下至一般佐史，考察政治得失，如同州牧巡行轄區一樣。他每到某地就審查釋放囚徒，革除王莽苛政，恢複漢朝官吏的名稱。吏民歡欣鼓舞，爭著帶上牛肉和酒，迎接慰勞光武一行人。進入邯鄲，原趙繆王之子劉林勸說光武道：“赤眉軍現在在河東，隻要決堤放水淹他們，百萬赤眉軍全成為魚。”光武不理睬，又前往真定。劉林於是詭稱卜者王郎是成帝的兒子劉子輿。在十二月，擁立王郎為天子，建都邯鄲，並派遣使者勸降了許多郡國。
二年正月，光武看到王郎一興起就比較強大，於是向北攻取薊縣。王郎下達快遞文書，懸賞十萬戶侯捉拿光武。而原廣陽王之子劉接於薊城中起義，以響應王郎。城內很混亂，謠言四起，人人驚恐，說邯鄲使者剛剛到達，二千石以下官吏都前去迎接。於是光武急忙驅車南逃，無論白天黑夜都不敢進入城市，吃住全在道路旁。到達饒陽，部下全斷了炊。光武就自稱是邯鄲使者，進入傳舍。傳舍的官吏剛送進食物，光武的隨從因為饑餓，紛紛爭搶食物。傳吏懷疑他們是偽裝的使者，就擊鼓數十下，假稱邯鄲的將軍來到，光武的部下都大驚失色。光武上車想逃，但是害怕出不去，慢慢回到座位，說：“請邯鄲的將軍進來。”過了許久他才駕車離去。傳舍中的人遠遠地呼叫守護城門的人關閉大門。門長說：“天下形勢還難預料，而能隨便關閉長者嗎？”於是光武得以從南門離去。
他們日夜兼程，冒著霜雪，天氣正寒冷，臉都凍裂了。到了呼沱河，沒有船隻，恰好碰上河水結冰，得以通過，還沒全部過完但後麵的幾輛車陷入河中，他們進入下博縣城西，彷徨猶豫不知該向何方。有一個白衣老人在路邊，指點他們說：“努力！信都郡仍忠於劉玄，離這裏八十裏。”光武立即奔赴信都，信都太守任光開門出迎。世祖因此征集附近各縣的兵卒，得到四千人。先攻打堂陽、貰縣，二城全都降服。王莽和成卒正邳彤也率全郡歸降。又昌城人劉植、宋子人耿純，各領宗親子弟，占領各自的縣城，以擁護光武。先帝於是北上迫降下曲陽，兵馬初步集結，樂意投靠的人達到數萬人。接著向北進攻中山，奪取盧奴。他所過之處調發“奔命”兵，向周圍各郡傳遞文書，要求共同打擊邯鄲勢力，郡縣又再次響應號召。他又南下進攻新市、真定、元氏、防子，都一一占領下來，因此進入趙國地界。