建武十二年（公元36年 ，丙申年）
春季，正月，吴汉在鱼涪津打败公孙述的将领魏堂、公孙永，接着包围武阳。公孙述派女婿史兴去救援，吴汉迎战并击败了他，趁机进入犍为郡境内。犍为各县城的官员都据城坚守。刘秀下诏书让吴汉直接攻打广都，占据公孙述势力的核心地带。吴汉于是进军攻打广都并将其拿下，还派轻骑兵去烧毁成都市桥。公孙述的将领们十分恐惧，日夜有人叛逃，公孙述即使诛杀叛逃者全家，也无法制止。刘秀一心想劝公孙述投降，又下诏书告诉他：“别因为来歙、岑彭被杀害就心存疑虑，现在及时归降，还能保全宗族。我亲手写的诏书，机会难得，不会有很多次。”但公孙述始终没有投降的意思。
秋季，七月。冯骏攻克江州，抓获了田戎 。
刘秀告诫吴汉：“成都有十多万军队，不能轻视。你只要坚守广都，等他们来进攻，别主动和他们硬拼。要是他们不敢来，你就转移军营逼近，等他们疲惫了，再出击。”吴汉却趁着连胜的势头，亲自率领两万步兵和骑兵逼近成都。在离成都城十多里的地方，他背靠长江北岸扎营，架起浮桥，让副将武威将军刘尚率领一万多人驻扎在长江南岸，两座军营相距二十多里。刘秀得知后大惊失色，责备吴汉说：“之前给你千叮万嘱，怎么临阵就乱了方寸！你既轻敌深入，又和刘尚分开扎营，一旦有紧急情况，根本来不及互相救援。敌人要是出兵牵制你，再用大军攻打刘尚，刘尚一败，你也得完蛋。幸好现在还没出事，赶紧带兵撤回广都。”诏书还没送到，九月，公孙述果然派大司徒谢丰、执金吾袁吉率领十多万人，分成二十多个营，进攻吴汉，又派别的将领率一万多人去牵制刘尚，让他们无法相互救援。吴汉和敌军大战一天，战败后退回营垒，谢丰趁机包围了他。吴汉召集将领们激励道：“我们翻山越岭，转战千里，深入敌人地盘到了成都城下，现在我和刘尚两处被围，彼此孤立，形势危急。我打算悄悄带兵到南岸和刘尚会合，集中兵力抵抗。大家要是能齐心协力，各自为战，还有机会立大功；要是做不到，必定全军覆没。成败就在此一举了。”将领们都说：“行！”于是，他们犒劳士兵，喂饱战马，紧闭营门三天不出，还多插军旗，让烟火不断，制造假象。到了夜里，士兵们口中衔枚，悄悄带兵和刘尚会合。谢丰等人毫无察觉。第二天，他们分兵抵御江北的吴汉，自己则率军攻打江南。吴汉出动全部兵力迎战，从清晨打到傍晚，终于大败敌军，斩杀了谢丰、袁吉。之后，吴汉带兵撤回广都，留下刘尚抵御公孙述，并把情况详细上奏，深刻地自我检讨。刘秀回复说：“你撤回广都，做得很对，公孙述肯定不敢绕过刘尚来攻打你。要是他先攻刘尚，你从五十里外的广都率领全部步兵、骑兵赶去救援，正好能在他们疲惫困顿时发动攻击，一定能打败他们！”此后，吴汉和公孙述在广都到成都之间交战，八战八捷，最终把军队开到成都外城。臧宫攻克绵竹，拿下涪城，斩杀公孙恢；又接连攻下繁县、郫县，和吴汉在成都会师。
李通想避开权势，便上书请求退休。过了两年，刘秀才同意他上交大司空印绶，让他以特进的身份参加朝会。后来有关部门上奏分封皇子，刘秀感念李通最早参与谋划拥立自己，当天就封李通的小儿子李雄为召陵侯。
公孙述陷入困境，问延岑：“现在该怎么办？”延岑说：“男子汉就该在绝境中求生，怎么能坐以待毙！钱财容易聚集，别太舍不得。”公孙述于是把金银布帛全拿出来，招募了五千多名敢死队员交给延岑指挥。延岑在市桥虚张声势，竖起军旗，击鼓挑战，却暗中派奇兵绕到吴汉军后面发动袭击，吴汉战败落水，最后拽着马尾才得以逃生。此时汉军只剩七天的粮草，便偷偷准备船只，打算撤退。蜀郡太守南阳人张堪听说后，急忙去见吴汉，分析说公孙述必败，劝他不要撤军。吴汉听从了建议，故意示弱来引诱敌军。 冬季，十一月：臧宫率军进驻咸阳门；戊寅日，公孙述亲自率领几万人攻打吴汉，派延岑抵御臧宫。双方展开大战，延岑三次交战都获胜，从早晨打到中午，士兵们连饭都没吃，全都疲惫不堪。吴汉趁机派护军高午、唐邯率领几万精锐士兵发动攻击，公孙述的军队顿时大乱。高午冲入敌阵，一枪刺穿公孙述的胸部，公孙述坠马，左右随从将他抬回城里。公孙述把军队交给延岑指挥，当晚就死了。第二天一早，延岑献城投降。辛巳日，吴汉杀光了公孙述的妻子儿女，将公孙家族全部灭族，连延岑的家族也没放过，还纵容士兵大肆抢掠，放火烧毁了公孙述的宫殿。刘秀得知后十分愤怒，严厉斥责吴汉，又责备刘尚说：“成都城投降三天了，官吏百姓都已归顺，城里的老人、孩子数以万计，你们却突然放纵士兵放火，听了都让人痛心。刘尚你是皇族子孙，还担任过官职，怎么忍心做出这种事！你抬头看看天，低头看看地，想想秦西巴放鹿和乐羊喝儿子肉羹这两件事，哪个更仁义？你们这样做，完全违背了斩杀敌将、安抚百姓的道义！”
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