同年六月，劉秀率領步騎萬餘人馳援昆陽。劉秀親率千餘精銳為前鋒，反復猛沖，斬殺王莽軍千餘人，漢軍士氣大振。新朝號稱百萬大軍的主力覆滅於昆陽城下，三輔震動，新莽政權土崩瓦解。更始元年九月，綠林軍攻入長安，王莽死於混戰之中，新朝覆滅。
登基稱帝
殲滅王莽立下首功的劉秀則馬不停蹄的南下攻城略地，此時一個噩耗傳來，劉秀的長兄大司馬劉縯被更始帝所殺。哥哥無故被殺，對劉秀來說，無疑是一個莫大的打擊，但是劉秀能強忍悲傷，益發謙遜，而且悲憤不形於色，正是彰顯出瞭劉秀的韜光養晦、隱忍負重。
為瞭不受更始帝的猜忌，他急忙返回宛城向劉玄謝罪，對大哥劉縯部將不私下接觸，雖然昆陽之功首推劉秀，但他不表昆陽之功，並且表示兄長犯上，自己也有過錯。更始帝本因劉縯一向不服皇威，故而殺之，見劉秀如此謙恭，反而有些自愧，畢竟劉秀兩兄弟立有大功，故劉秀不但未獲罪，反而得封武信侯。但是，劉秀心裡明白，即便是一時讓更始帝不猜疑自己，以後也可能會得到與兄長劉縯一樣的下場，畢竟自己聲名遠播、功高震主。
公元25年六月，已經是“跨州據土，帶甲百萬”的劉秀在眾將擁戴下，於河北鄗城（今河北省邢臺市柏鄉縣固城店鎮）的千秋亭即皇帝位，建元建武。為表重興漢室之意，劉秀建國仍然使用“漢”的國號，史稱後漢（唐末五代之後也根據都城洛陽位於東方而稱劉秀所建之漢朝為東漢），劉秀是為漢世祖光武皇帝。
建武盛世
劉秀勤於政事，“每旦視朝，日仄乃罷，數引公卿郎將議論經理，夜分乃寐”。在位期間，多次發佈釋放奴婢和禁止殘害奴婢的詔書。為減少貧民賣身為奴婢，經常發救濟糧，減少租徭役，興修水利，發展農業生產。裁並郡縣，精簡官員。結果，裁並四百餘縣，官員十置其一。歷史上稱其統治時期為光武中興。其間國勢昌隆，號稱“建武盛世”。
劉秀統一中國後，厭武事，不言軍旅，公元51年，朗陵侯臧宮、揚虛侯馬武上書：請乘匈奴分裂、北匈奴衰弱之際發兵擊之，立“萬世刻石之功”。光武卻下詔：“今國無善政，災變不息，人不自保，而復欲遠事邊外乎！不如息民。”。劉秀善待功臣，分封三百六十多位功臣為列侯，給予他們尊崇的地位，隻解其兵權。
因病去世
建武中元（一作中元）二年（公元57年）二月戊戌日（二月初五），劉秀在南宮前殿逝世，享年六十二歲。遺詔說：“我無益於百姓，後事都照孝文皇帝制度，務必儉省。刺史、二千石長吏都不要離開自己所在的城邑，不要派官員或通過驛傳郵寄唁函吊唁。”劉秀死後，其子劉莊繼位，於同年三月丁卯日，葬劉秀於原陵，上廟號世祖、謚號光武皇帝。