刘秀和绿林军联合作战，在昆阳大战中打败了王莽的主力部队，立了大功。他的哥哥刘也攻下了宛城，已经被拥立为更始皇帝的刘玄进驻宛城，将宛城作为更始政权的临时都城。
刘玄在宛城安顿下以后，觉得自己的地位虽说巩固了，可是还是担心刘、刘秀兄弟的势力强大起来之后，同自己争夺天下，就借口把刘杀了。这时候，刘秀正在别处，他听说哥哥刘被杀害，内心又是悲愤又是恐惧。他想替兄长报仇可自己的势力还敌不过刘玄，只好暂时压下火气，并亲自到宛城向刘玄谢罪。表面上，刘秀装出一点也不在乎的样子，既不替哥哥戴孝，又在别人面前谈笑如常，见了刘的部下，一句私话也不讲。对刘玄更是百依百顺，绝口不提自己在昆阳之战中的功劳，还把许多错误都揽在自己身上。可是一到晚上，他关起门来，偷偷在房中哭泣，发誓要为哥哥报仇。刘玄为了安抚和笼络刘秀，他拜刘秀为破虏大将军，封为武信侯；但是并没有交给他什么实质的权力。
过了些时候，刘玄准备迁都洛阳，派刘秀先去洛阳整修宫殿。宫殿整修完毕以后，刘玄迁入洛阳，派刘秀到黄河以北去扩充势力。刘秀得到这样的好机会，不仅可以保全自己免遭刘玄杀害，更像蛟龙归海，猛虎归山，可以放手去发展自己的势力了。
王莽的新朝政权被推翻以后，黄河以北的地主富豪害怕农民起义的烈火燃烧到他们那里，纷纷组织起了地主武装。他们见刘秀到来，就都前来归附。这样，刘秀的势力逐渐壮大起来，在黄河以北站稳了脚跟。
更始皇帝刘玄怕刘秀的势力继续扩大，就派人去封刘秀为萧王，并且召刘秀回首都长安来商量国家大事（这时候刘玄已经迁都长安）。刘秀既然已经有了自己的力量，当然不愿意再受刘玄的控制。他叫人给刘玄带去一封信，信上说：“黄河以北还没有完全平定，我不能回长安去。”这标志着刘秀跟刘玄的决裂。
为了进一步扩大势力，刘秀对分散在冀州、兖州一带（今河北、山东、河南三省交界地区）的农民起义军进行了残酷的镇压。他打败了力量比较强的铜马、青犊等农民军，用诱降的手段收编了一些零散的农民军，把黄河以北的广大土地全都掌握到自己手中。接着，他又乘赤眉军出兵西进的机会，派人两路出兵，扩充自己的势力，一路从河北南下，夺取了原先赤眉军的地盘；一路从河北往西，进攻并州（今山西省）。经过几次战斗，刘秀的军队终于取得胜利，他的势力进一步扩大，物产富饶的中原地区几乎全都落入他的掌握之中。
刘秀一得势，就有更多的割据势力来归附他，那些立了战功的大将，为了自己能够当个开国功臣，都急着要拥戴刘秀做皇帝。他们对刘秀说：“如今天下一片混战，大王是高祖九世之孙，众望所归，希望您趁早即位称帝，安定民心。”刘秀听了大将们的话，内心自然高兴，但是他怕时机还不成熟，就假装推辞，意思是希望有更多的人来向他劝进。
大将们看出刘秀的心思，发动更多的人联名给刘秀上书，劝刘秀即位称帝。大将耿纯代表大家说出了心里话，他对刘秀说：“天下的英雄，离别亲属，抛弃田园，跟着您出生入死，无非是想攀住龙鳞，附着凤翼，能够做开国元勋罢了。希望您赶快即位称帝吧！”
刘秀看到那些大将真的愿意拥戴他，就不再推辞，于25年六月在城（今河北高邑）正式即位称帝。接着，他派兵西进，去进攻占据着关中地区的赤眉军。
这时候，赤眉军也已经建立了自己的政权，他们在华阴（今陕西华阴县）拥立了一个十五岁的牧童刘盆子做皇帝，樊崇做了御史大夫。
那个在长安的更始皇帝刘玄，靠绿林军坐了江山，终日沉湎于酒色。将领们有事找他商量，他因为喝得酩酊大醉，不能出来见面，就叫一个侍从坐在宫殿上，前面挂上帐幕，代替他说话。将领们一听不是他的声音，都很生气，在背后议论说：“皇帝的宝座还没有坐稳当，就如此昏庸！”而且刘玄还杀害了好几个绿林军将领，越来越肆无忌惮了。后来王匡等人被迫逃离长安，和赤眉军联合，一同打进长安，推翻了刘玄的统治。
赤眉军进入长安的时候，长安城里的老百姓扶老携幼、成群结队地到街上来欢迎。可是长安附近的地主却把粮食偷偷地藏起来，想要饿死起义军。富有政治斗争经验的刘秀，就乘着这样的时机，派大将邓禹一路打来。赤眉军虽然曾多次打败邓禹，可这一回由于缺乏粮食，不能坚持抵抗，樊崇只好下令放弃长安，准备往东打回山东老家去。一路上，他们遭到了刘秀军队的伏击，损失极大，只好被迫投降。樊崇在投降后又想要重新恢复起义军的势力，被刘秀发觉后给杀害了。
刘秀在农民起义声中起兵，利用农民起义军的声势扩大了势力，又在各派势力的争斗中逐渐占得了上风。他在城称帝以后，不久定都洛阳。因为洛阳在长安的东边，所以历史上称刘秀建立的汉朝为东汉，又叫后汉。刘秀是东汉的第一个皇帝，历史上称他光武帝。