更始三年正月，平陵人方望在临泾立前西汉末帝孺子婴（刘婴）为天子。原来，方望看到更始帝政治混乱，揣度更始政权必败，他对安陵人弓林等说：“前定安公刘婴，是汉平帝之嗣，虽王莽篡夺帝位，但刘婴曾经是汉主。现在人们都说刘氏的嫡传应当受命为帝，我想和你们共同来建立大功，你们看如何？”弓林等表示同意。于是他们在长安找到刘婴，并将他带到临泾正式立为天子，他们聚合党羽数千人，以方望为丞相，弓林为大司马。更始帝知晓后派遣李松与讨难将军苏茂将方望等击破，并把叛变的几个人都杀了。
而另一边赤眉军也拥立了刘盆子为帝，原来绿林北路军攻克洛阳，更始帝由宛城迁都洛阳后，赤眉军首领曾亲自去洛阳表示愿意与更始政权合作，但更始帝采取冷漠应付的态度，只封樊崇等20几人为列侯，无权无禄。樊崇等人愤然离开回到赤眉军营地，自此绿林、赤眉两军分裂，赤眉军当时拥兵30万，他们分两路向西进攻长安，想要取代更始政权；当赤眉军走到华阴县时，他们考虑：已接近都城长安，而我们还没有一个称号，就是打败更始皇帝，天下的百姓也会把我们当作一帮匪徒，不会承认我们；所以我们也应该拥立一个姓刘的皇族，以伸张正义为名，名正言顺的讨伐刘玄。
于是，他们就在军中找到了一个15岁的牛官刘盆子，拥立他为“上将军”，刚找到刘盆子时，他还是牧童装束，披散着头发，光着双脚，衣不遮体，紧张的面赤流汗，见到他平时敬畏的大将军向他叩头时，吓得他几乎要哭出来。随后，在樊崇的安排下，建立了“建世政权”，并宣布，徐宣为丞相；樊崇为御史大夫；逄安为左大司马；谢禄为右大司马。刘玄知晓赤眉军要进攻绿林军的消息后，派遣讨难将军苏茂拒赤眉军于弘农，结果苏茂军败，死者一千多人。到了更始三年三月三月，刘玄又遣李松会合朱鲔与赤眉军战于蓩乡，李松等大败，弃军逃走，死者三万余人。
而刘秀这边，他发幽州十郡突骑与占据河北州郡的铜马、尤来等农民军激战，经过激战，刘秀迫降了数十万铜马农民军，并将其中的精壮之人编入军中，实力大增，当时关中的人都称河北的刘秀为“铜马帝”。与此同时，他还派邓禹西入关中，派冯异攻打朱鲔等镇守的洛阳。冯异、寇恂等报告在洛阳城外取胜的消息，诸将便借机提议为刘秀上尊号，刘秀拒绝，率军回到蓟县，继续追剿尤来军。等将其剿灭后又南下洛阳，途中群臣多次劝进，都被刘叔拒绝，直到耿纯点出了刘秀不称帝会让追随他的士大夫失望离心的道理后，刘秀才有意听从劝进。
刘叔知道自己再不称帝，手下必生二心，于是他找到了自己在长安太学读书时认识的强华，让他演一出戏。等到大军行至鄗城时，刘秀召见冯异，冯异也大力劝进，恰逢此时关中儒生强华来献《赤伏符》，中有“刘秀发兵捕不道，四夷云集龙斗野，四七之际火为主”的谶语，群臣以此为据，再次劝进，刘秀终于答应。六月，刘秀在鄗城千秋亭即皇帝位，建元建武，为表重兴汉室之意，建国后仍然使用“汉”的国号。刘秀称帝后，于更始三年、建武元年八月抵达河阳，并调遣吴汉等将领包围困守洛阳的朱鲔；朱鲔担心刘秀因杀兄之仇而不放过他，数月都不投降。刘秀表示“举大事者不忌小怨”，派人向朱鲔保证如果投降，则决不清算，“官爵可保”，朱鲔遂降，刘秀履行诺言，封其为平狄将军、扶沟侯。十月，刘秀进入洛阳，定都于此。
这时绿林军王匡、张卬驻守河东，被西入关中的邓禹打败，他们奔回长安。张卬与诸将商议说：“赤眉军近在郑、华阴间，旦夕就将到此，现在绿林军的地盘只剩下长安城，眼看就会被消灭，倒不如统帅军队掠取城中财物发财，从这里转而进攻沿途经过的地方，再东归南郡，把宛王等人的兵收集过来。如果事情不成，就再入湖池中做强盗去算了。”申屠建、廖湛等都赞成，就一起去说服更始帝，更始帝听后大怒，不答应，张卬等不敢再说。等到赤眉军立刘盆子为帝，更始帝派遣王匡、陈牧、成丹、赵萌屯兵新丰，李松屯兵掫城，以抵抗他们。
张卬、廖湛、胡殷、申屠建等见势不妙就与御史大夫隗嚣合谋，他们准备在立秋那天乘更始帝祭祀时用武力劫持更始帝，以完成前面提出的计划。侍中刘能卿得知了他们的阴谋，禀报于更始帝，更始帝便假托有病不出宫，召见张卬等；张卬等进来后，更始帝就准备把他们全都杀掉，但隗嚣却没到。更始帝就有了怀疑，他令张卬等四人暂到外边房子里等候；张卬、廖湛、胡殷已经反应过来，他们怀疑事有变故，急忙就冲出去了，只有申屠建留在房中，更始帝见事情败露便将他先杀了。张卬、廖湛、胡殷听闻申屠建被更始帝杀了，于是便率军掠夺东西二市；到天黑时，他们烧门而入，在宫中与守卫混战，更始帝护卫军大败。次日一早，更始帝就率妻子家人车骑百余辆，东奔到新丰赵萌那里去了。
平安后，更始帝又开始怀疑起王匡、陈牧、成丹也与张卬是同谋，于是就同时下旨召见了他们。陈牧、成丹先到，结果二人立即就被拉出去斩首；王匡听闻后感到害怕，他就率军到长安，与张卬等会合。李松则回到了更始帝的身边，与赵萌共同攻打王匡、张卬于城内；绿林军内战连战一个多月，王匡等人败走，更始帝又迁居到长信宫；而赤眉军已到高陵，王匡等叛军便向赤眉军投降了，接着又与赤眉军连兵而进。更始帝只能无奈守城，他又派遣李松出战，结果李松战败，阵亡两千多人，赤眉军还活捉了李松；这时李松弟弟李泛为城门校尉，赤眉军便派使者对李泛说：“打开城门，便饶了你哥哥的性命。”李泛便打开城门。建武元年九月，赤眉大军顺利入城，更始帝刘玄单骑逃走，从厨城门出，许多妇女从后面连连呼喊说：“陛下应当下马谢城！”更始帝即下马拜谢，然后再上马逃走了。
刘秀在赤眉军攻入长安的同时，没有立即同赤眉军发生大规模的正面冲突，而是立即发布诏书，封刘玄为淮阳王，并声称“吏人敢有贼害者，罪同大逆”这样，刘秀便将原来倾向于刘玄更始政权的地主豪强势力，争取到自己一边来了，也为赤眉军进入长安后制造了重重困难。