公元23年二月，绿林军拥立汉室后裔刘玄为帝。刘玄本是刘氏皇室中一个平庸的成员，毫无雄才大略和帝王资质。公元22年七月，平林人陈牧率千余人起义，响应绿林军，号称“平林兵”。正在这里避难的刘玄参加平林兵，从此走上反新复汉的道路。因为他是皇族成员，而平林起义军在反王莽斗争中需要借助刘氏宗族的号召力，便将刘玄推上皇帝宝座。刘玄能登上帝位，纯粹是因为比刘秀兄弟参加起义早的缘故。
刘玄即位后，改年号为“更始”。刘被任命为大司徒，刘秀则任太常偏将军。刘玄称帝后，令刘攻打南阳，又派王凤、刘秀等率军北攻昆阳。在昆阳一役中，刘秀以非凡的军事才能，一举消灭了王莽军队主力，创造了世界军事史上一次以少胜多的优秀战争范例，这便是历史上着名的“昆阳大捷”。
当时，王莽下令大司徒王寻、大司空王邑发精兵42万，号称百万，围攻昆阳（河南叶县）城。刘秀从容自若，说：“今莽军多，我军小。如果我们拉力抗争，尚可取胜，如果望风解散，必至玉碎，万难瓦全。”又劝说王凤、王常等率八九千人守城，自己与李轶、宗佻率壮士十人，夜晚潜出南门，疾奔郾城和定陵发两邑守兵数千人进援。又率敢死队三千人直冲莽军中坚，击杀王寻，莽军阵乱。昆阳城守军乘胜出战，内外合攻，莽军大败。王邑率数千败兵逃往洛阳；严尤、陈茂投降汝南郡割据者刘望。
昆阳之战的胜利，使王莽的主力丧失殆尽。接着，起义军乘胜直捣长安。更始元年十月，绿林军攻克长安，斩杀王莽，新朝灭亡。同月，刘玄定都洛阳。公元24年二月，刘玄迁都长安，完全恢复刘氏汉家天下。史学家柏杨曾感叹过：“这是一件千年难逢的奇迹，紊乱一团糟的庞大帝国，霎时间恢复秩序。可惜刘玄所建的汉政府，由一群无知无识的人物组成。三个月之前他们还在荒野中大喝小叫，三个月之后忽然成为国家领导人，他们还没有被训练出领导能力。于是，各地民变再度蜂起。这一个奇迹政权，从纪元后二三年到二五年，勉强支持三年。”
昆阳之战结束后，起义军阵营中的分裂也爆发了。威望日增的刘、刘秀兄弟受到绿林军内农民将领和更始帝的猜忌和排斥。在李佚等怂恿下，刘及其部将刘稷被更始帝刘玄杀害。正将兵在外的刘秀闻兄遇害，自知势孤，遂强忍悲痛，迅速驰回宛城，向更始帝“谢罪”，不和刘的旧属往来，不替刘服丧，不提昆阳战功，饮食言笑如常，终免除杀身之祸。
更始帝以为刘秀不记他的仇，反倒有点过意不去，拜刘秀为破虏大将军，但是毕竟不敢重用。后来，长安攻下来了，王莽也给杀了。更始帝到了洛阳，才给刘秀少数兵马，让他到河北去招抚河北郡县。从此，刘秀摆脱了更始诸将的直接监控，走上了独自发展的道路。当时河北形势纷繁复杂，各种武装林立，群龙无首，正好让刘秀得到一个扩大势力的机会。刘秀依照冯异“理冤结，布惠泽”和邓禹“延揽英雄，务悦民心”的建议，废除王莽时期的一些苛刻法令，释放一些囚犯，“所过郡县，考察官吏，平遣囚徒，除王莽苛政，复汉官名；吏民喜悦，争持牛酒迎劳”，争得了各阶层民众以及一些地方实力派的支持，逐渐组成了建立政权的基干力量，并在邓禹的参赞下，暗自定下了先巩固河北根据地，逐步夺取天下的根本大计。
刘秀在河北势力的发展，再次引起更始帝的不安，于是以加封刘秀为萧王作借口，下令调刘秀及其部将返回长安。暗令屯军于邯郸的尚书令谢躬乘便袭击刘秀，另遣苗曾、韦顺、蔡充分别任幽州牧和上谷、渔阳太守，以控制幽州精兵。刘秀觉得时机已成熟，便决定脱离更始政权，与刘玄决裂，乃“辞以河北末平，不就征”。接着，先后收斩苗、韦、蔡三人，掌握了幽州十郡突骑；继而，用计袭杀谢躬于邮城，吞并所部6军，清除了隐患。之后，在当地官僚和地主的支持下，刘秀消灭了假冒汉成帝儿子刘子舆而在邯郸割据称帝的王郎势力，又镇压和收编了铜马等100多万农民起义军，势力迅速壮大，人称“铜马帝”。
公元25年六月，在众将的极力拥戴劝进下，刘秀在镐（今河北省柏乡县）正式即位称帝，国号“汉”，改年号为“建武元年”，定都洛阳。至此，中国历史又恢复了刘姓汉家天下，进入东汉时期。
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