刘秀提前带入城中的部队，成为了防御作战的中坚力量。这些地方豪杰与亡命之徒，即便遭到官军的弩弓压制也毫无投降之意。甚至倒逼进攻者不太敢与他们近身交战，只能不断用箭矢向城内投射。期间，官军还尝试挖掘地道弄塌城墙，也被机警的守军发现后破坏。至于刘秀等人，则已经在围城营地完成前离开昆阳，到东南各地区召集援军。依靠自己的宗室身份和影响力，说服了部分其他绿林头领加入自己的队伍。
但在援军完成准备的月底，昆阳城内的粮草已经耗尽。城中的绿林准备向官军投降，但后者却因为预估就要得手，而直接拒绝了这个提议。等到6月1日，刘秀等人指挥的10000援军也重新返回昆阳附近。
为了迅速打破僵局，刘秀以土豪骑兵为主的千人作为精锐，由自己率领作为大军的前锋。他们所要面对的几十万对手，则大都还停留在自己的单独营地内。因此，当负责外围警戒的新朝骑兵被击溃后，他们之间的协同作战就变得更加的不可能。绿林军则可以对落单的小股官军发起袭击，也能攻打位于外围的敌方军营。数次规模非常有限的胜利，就对新朝的王师造成了巨大震撼。
王邑与王寻却不太敢调动大部分兵力进行反击。他们既担心昆阳城内的守军借机杀出，也害怕大规模调动直接造成混乱，让全军不攻自溃。因此，他们下令各营地的驻军不得擅自移动，更不能盲目出击，自己则率领万名精锐迎战刘秀的先锋。然而，刘秀也已经将自己的部队规模扩大到3000，并以无可争议的战斗力优势压制对方。通过短促而激烈的骑兵突袭，一举斩杀了作为敌方主将的王寻，进而瓦解了新朝军队的士气。在整个过程中，附近营垒内的官军都坚决闭门不出，坐看主将几人的直属部队被斩杀殆尽。
最终，在昆阳被围攻很久的绿林军也倾巢而出，主动进攻城市周围的各新军营地。本来就没有多少士气的官军士兵，也借机大肆出逃，并因为踩踏而造成大面积死伤。王邑等少数高官，最后靠着轻骑快马而逃出战场，并留下更多士兵任由敌方屠杀。同时，为供养军队而堆积起来的大量辎重，也变成了绿林军扩张的资本。
在昆阳之战结束后，原本还在新朝手中的洛阳便无兵可守。攻占这里的绿林势力，可以继续向西冲进关中。王莽新朝的真实实力，也因为战败而暴露无遗。规模更大且水平更高的其他叛军，也将从原先的中立区中蹦出。至此，王莽的理想国也被正式判了死刑。
