公元36年的春季正月，吴汉在鱼涪津打败了公孙述的将领魏堂、公孙永，随后包围了武阳县。公孙述看到武阳县被围，就派女婿史兴前去救援，吴汉就又和史兴打了一仗，结果打败了史兴，于是汉军就进了入犍为郡的管辖范围内。但是郡内的各县都闭城固守。看到这种情况，刘秀就命令吴汉直接前去夺取广都，以占据敌人的心腹地区。吴汉于是就向着广都出发，经过一番交战，又拿下了广都，接着又派轻骑兵烧毁了成都市桥。公孙述的将帅看到广都被破，心里都十分害怕，很多人都都投降了，有的则是跑了。尽管公孙述诛杀了很多投降者的家人，还是不能禁止这种情况的发生。而刘秀却想要公孙述投降，就下诏告诉公孙述说：“你不要因来歙、岑彭两个人被害的事而担忧，你要是现在投降，家族就可以保全。朕的诏书和亲笔信，不是啥时候都能得到的，过了这个时间，后果你要自己承担。”可是公孙述始终没有投降的意思。
到了秋季七月，东汉将军冯骏就攻陷了江州，俘获了田戎。
眼看胜利近在咫尺，刘秀就告诫吴汉说：“现在成都还有十多万大军，你不能轻视他们。现在只须坚守广都，等待敌人前来进攻就行，千万不要和敌人一争高下。如果敌人不敢来攻，你就向前移动军营去逼迫他们，等到敌人精疲力尽的时候，才可发起攻击。”而吴汉却乘着胜利的势头，孤身一人率二万兵马进逼成都，在距离成都还有十多里路的地方安营扎寨，又在江北岸架起了浮桥，还命令副将刘尚率领一万多人驻扎在江南岸，两座军营相隔二十多里。刘秀听说以后十分震惊，就责备吴汉说：“我不久前才告诫过你不要出兵，你怎么就是不听呢！你既然轻敌深入，又和刘尚分别扎营，一旦发生危急情况，那你们就没法互相顾及。敌人如果出兵牵制你，用主力部队去攻击刘尚，刘尚要是失败，那你也就失败了。幸好现在还没有发生其他变故，你要火速率军返回广都。”可是诏书还没到，公孙述就已经派大司徒谢丰和执金吾袁吉二人带着十万人前去攻打吴汉；又派其他将领带着一万多人牵制刘尚，使他不能救援。双方大战了一整天，结果吴汉兵败，最终退回到了大营中。谢丰则是趁机包围了吴汉的大营。生死存亡之际，吴汉就把将领们都召集到一起，勉励他们说：“我和你们越过险阻之地，转战千里，才深入敌境，进逼成都城下。可是现在，我们和刘尚分别被困在两个地方，既然不能互相援救，那结果可能会让我们十分心痛。我准备悄悄率军到南岸和刘尚会师，合力抵抗敌人。我们如果能够同心协力，战胜敌人就是很轻松的事，就可以建立大功业，从而光宗耀祖；否则的话，就会一败涂地，成败就在此一举。”将领们都说：“全凭将军吩咐！”于是吴汉就开始犒劳士兵，又喂饱战马，还把营门给关闭了，整整三天没一点动静。同时竖立起了很多旌旗，使营中烟火不断。到了晚上，吴汉就悄悄的率领军队与刘尚会合了。谢丰等人却没有发觉。到了第二天，谢丰等人就兵分两路，一路在江北据守，一路进攻江南。这一仗，吴汉投入了所有的兵力去迎战，双方从早晨打到下午，最终大败敌军，还斩杀了谢丰和袁吉。吴汉这才率军返回广都，留下刘尚抵御公孙述。回到广都后，吴汉就把情况一一向刘秀做了汇报，同时还深刻地谴责自己。刘秀则是回答说：“你现在回到广都，那是最好不过了。公孙述肯定不敢绕过刘尚去攻打你。他如果攻打刘尚，你就从广都出发救援，五十里的路程，很快就到了，出动全部兵马去救援，趁着敌军危险困顿的时候，打败他们就是必定的！”自此之后，吴汉和公孙述在广都和成都之间交战，八战八胜，汉军终于进入了成都外城。臧宫占领了绵竹，又攻陷了涪城，还斩杀了公孙恢；接着又攻克了繁县和郫县，最后和吴汉大军在成都会师。
就在全国形势一片大好的时候，李通为了避开权势，就上书请求退休。结果等了两年，刘秀才允许他交出大司空的印信绶带，又要求他以特进的身份参加朝会。后来，有关部门就上奏章请求封皇子爵位，刘秀感念李通首先拥戴他谋划大事的功绩，当天，就下诏封李通的幼子李雄为召陵侯。
刘秀这边正在封爵，可是公孙述却被困在了成都，形势已经很危急了，他就问延岑说：“我们现在应该怎么办？”延岑说：“男子汉应当从死中求生，怎能坐着等死！财物容易聚敛，实在不应爱惜。”于是公孙述就散发了所有的黄金、绢帛，招募了五千多人敢死队，又把他们分配给延岑统领。延岑则是在市桥假装树立旗帜，鸣鼓挑战，暗中派奇兵绕到吴汉军队的后面，袭击并打败了吴汉。吴汉堕马落水，幸好抓着马尾才得以脱险。此时的吴汉军队只剩下了七天的粮食，眼看形势对自己不利，吴汉就暗中准备船只，打算撤退。蜀郡太守张堪听说后，就急忙前往求见吴汉，并向他陈述了公孙述必然灭亡、不应退军的策略。吴汉采纳了他的建议，于是就故意示弱来引诱敌人。到了冬季十一月，臧宫的军队就进驻在了成都咸阳门。过了十多天，公孙述就亲自带着数万人去攻打吴汉，同时派延岑抵抗臧宫的部队。双方展开了大战，延岑三战三胜，双方从早晨一直打到中午，官兵得不到吃的，就感到很疲劳。吴汉于是就派护军高午、唐邯率领数万精锐部队去攻打公孙述，公孙述的军队大乱。高午则是直奔阵前攻打公孙述，一枪就刺穿了公孙述的胸膛，公孙述受伤掉下了战马，幸好有身边将领的掩护，才能够把他抬入城中。公孙述把军队交给延岑后，当夜就去世了。看到大势已去，延岑就献城投降了。过了几天，吴汉就诛杀公孙述的妻子儿女，又屠杀了公孙氏家族，长幼一个没留。并将延岑灭族，然后放纵士兵大肆掳掠，焚烧公孙述宫室。刘秀听说后大怒，就谴责吴汉。又谴责刘尚说：“成都城投降已经三天了，城中的官民都服从归顺了汉朝。要是加上孩子和妇女，那就有上万人口了，现在要是烧杀抢掠，那听到的人都会酸鼻掉泪。你是汉室宗亲，又当过官吏，怎么忍心做出这种事！仰视苍天，俯视大地，比较一下秦西巴释放小鹿和乐羊吃他儿子肉羹的事，这两个人谁更仁义呢？你们真是失掉了斩杀敌将、拯救百姓的道义！”
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