公元23年（新莽地皇四年，刘玄更始元年）五月，王邑、王寻统帅的大军与严尤、陈茂会合后，即由颍川向昆阳前进，两三天即有十余万军队到达昆阳。统帅王邑立即下令围攻昆阳。纳言将军严尤根据以往作战的失利教训，认为不可把兵力用于昆阳这个既坚固又无碍大局的小城，大军应当直趋宛城，击破围攻宛城的汉军，则昆阳将不攻自破。王邑听不进严尤的建议，傲气十足地说：“我以前围攻翟义时，就因为没有能生俘他而受过指责，现在统帅百万大军，碰到敌人城池，竟绕道而过，不能攻下，这怎么能显示我们的威风！应当先杀尽这个城中的军民，全军踏着他们的鲜血，前歌后舞而进，岂不是更痛快吗！”于是王邑仍然坚持以十万大军围攻昆阳。王凤、王常等见新莽大军逐渐云集昆阳，形势十分严重，刘秀所率三千骑兵在颍川西北遇见新军后，也引兵退回昆阳，加上汉军其他退入昆阳的一些零星部队，昆阳守军共约一万人。王凤等鉴于双方力量十分悬殊，对坚守昆阳信心不足，一些退入昆阳城中的官兵也惊惶失措，担心妻子儿女，想分散回去，各保存自己的地区。
刘秀看到这种情况便对大家说：“目前我军兵粮缺，而城外又有强大之敌，如能集中力量抗击敌人，还有取胜的可能；如果分散各自回去，势必都不能保全。况且刘縯等攻打宛城，尚未得手，也无力挽救我们。昆阳一旦失守，不出一天，各部也必将被敌各个击破歼灭。现在如果我们不同心协力，存亡与共，同立功业，反而贪生怕死，能只顾各守自己的妻子财物吗？”诸将领等听到刘秀这些话，大怒说：“你怎敢教训起我们来！”刘秀听了便笑着站起来。恰在这时侦察员回来，报告说：“王寻大军即将到达城北，军队连绵百里，还看不见后卫。”王凤等向来轻视刘秀，见当前情况急迫，才互相商量决定，请刘秀计划破敌之策。这时刘秀经过分析情况，便做了决策，以王凤和廷尉大将军王常率人坚守昆阳城，自己当夜和宗佻、李轶等十三骑，出昆阳城南门到外面去调集部队，准备对新军内外夹攻。
新莽大军进到昆阳，即按照统帅王邑、王寻的命令，开始围攻昆阳城。新军为了显示其作战威力，把昆阳包围十层以上，设置了一百多座军营，军旗遍野，锣鼓之声于数十里之外都可以听到。新军挖地道，使用冲车和棚车攻城，集中了所有的机弩向城内狂射，箭矢像雨水倾泄。城中的军民不能外出行动，连出门打水也要头顶门板，以防中箭。战斗最艰苦时，守将王凤等人一度动摇，向王邑乞降，但王邑、王寻认为攻克昆阳指日可待，不许他们投降，否则，便不算建功立业，因而，决心非要踏平昆阳不可。这使守军认识到只有拼死坚守，以待援军才能有生路，于是更加顽强地与新军搏杀。
这时严尤看到昆阳难以在短期内攻下，便又建议王邑说：“兵法讲围城要留一面，我们应当让昆阳之敌逃跑一些，使他们传播失败的消息以震撼宛城之敌。”但王邑等依仗自己兵多粮足，占据绝对优势地位，又一次拒绝了严尤的建议，继续加紧硬攻昆阳，使自己几十万大军，屯兵坚城之下。
城内的汉军军民并肩战斗，一次一次地打退新莽军队的强攻，占绝对优势的新莽也无可奈何，虽经反复攻城，昆阳城仍屹立不动。王邑的“屠此城，蹀血而进，前歌后舞，顾不快邪”的设想，难以实现。
昆阳被围前，乘机出城调集兵将的李轶、刘秀等十三人，到达定陵、郾城等地调集各地兵马时，一些将领贪惜自己的财物，想就地分兵留守，不愿赴昆阳增援。刘秀对他们说：“今天如果能破敌，珍宝财物要比现在多万倍，我们的大事也可成功；如果我们为敌人所败，脑袋都保不住，还谈什么金银财物呢？”于是各营将士遂跟着刘秀、李轶等一齐向昆阳地区开进。
新汉两军昆阳攻守战正在胶着状态，公元23年（更始元年）五月底，宛城在绿林军（汉军）的长期围困下，内无粮草，外无援军，守将岑彭终于被迫投降。但这个消息尚未传到昆阳。刘秀为了进一步鼓舞士气，动摇莽军军心，传宛城已破，绿林军（汉军）主力将至昆阳。消息传到昆阳城内，守军立刻士气高涨，更加坚决守城，并随时准备出城歼敌。新军得此消息，个个心情沮丧，士气低落。绿林军（汉军）在气势上已占据了优势。
六月初一，李轶、刘秀所率之定陵、郾城等地的汉军到达昆阳地区。刘秀为鼓舞大家的斗志，自率步骑兵一千多人为前锋，李轶率主力跟进，刘秀军在逼近新军四五里地时，即摆开阵势，准备出击。王邑、王寻也派兵数千前来迎战。刘秀亲自率领人马冲杀，斩新军几十个人，跟随的将领都高兴地说：“刘将军平时看到小股敌人，都十分害怕，今天见了大敌，却很勇猛，真是了不起。以后请你总在前面率领我们作战，我们共同协力破敌”！刘秀接着又率领将士再行向新军攻击，新军被打得大败，刘秀军斩杀新军近千人。刘秀率兵连着打了几次胜仗，这就大大地鼓舞了汉军的斗志，杀减了王邑、王寻的锐气。刘秀等在昆阳外围与新军作战，取得节节胜利的情况下，为着进一步瓦解新军的战斗士气，鼓舞昆阳城内汉军军民的斗志，故意渲染宛城汉军的胜利，他把写有宛城汉军已获胜，“宛下兵到”的密信，射进昆阳城内，同时也转落到新军手中，引起新军统帅王邑、王寻的恐慌。新军将士看到，一个小小昆阳，大兵压境，苦战一个多月，都没能攻破，如若再加上宛城的十万汉军，则更无法对付。
正在此时，刘秀率不到两万人马与四十二万新军决战，突然天降硕石直接砸在四十二万大军中央，砸死砸伤大半，刘秀一马当先，两万人加上硕石把四十二万人打得落花流水，天意如此，光武帝刘秀一战成名！
