七月，岑彭开始发动对成都的攻击战，让臧宫与护军扬翕带领5万俘兵，从涪水上平曲抗拒延岑，并布置许多疑兵阵，以迷惑延岑而牵制他的兵力；岑彭自己率领汉军乘船还江州，然后溯都江而上，袭击黄石的侯丹军，并把侯丹军打得大败。于是岑彭迅速向蜀军主防线的背后成都进击；日夜倍道兼行，疾驰2000多里，进抵武阳（今四川彭山县东），并很快攻占该城，随即又派精锐骑兵驰袭广都（今四川双流县东南），直逼成都。岑彭军这种从侧翼进行奇袭的行动，势如迅雷，所到之处，蜀之兵民四处逃散，蜀之全军无不震骇。所以公孙述大惊并用杖敲打着地说：“怎么会这么神速呢？”情势的严重性由此可见一斑。

平曲方面的战斗，臧宫率俘兵五万及本部兵在平曲抗拒并阻止了延岑的攻击，延岑遂在沅水停止前进。这时臧宫军因为后方粮食运输量不足，兵多食少，军中引起不少的恐慌，俘兵情绪更不稳定，想逃跑或反叛，郡邑又保聚自守，观望成败；因而臧宫陷于进退维谷中，不退则军中缺粮，俘兵都要叛散，撤退则又恐怕延岑的军队会追袭。臧宫在这种窘迫危急的形势下，正好光武帝派遣的增援军队到达，且有马700多匹，臧宫遂乘这种增援的声威驱军而进，并多张旗帜，登山鼓噪，以给敌人造成百万之众的假象；同时让步兵在右，骑兵在左，挟船师在江前进，日夜疾驰，向延岑军进袭。延岑没料到臧宫军会这么快来到，登山一望，看到汉军兵众气盛，而大为震恐；臧宫遂发动进攻，很快打败延岑，斩敌及敌人溺死者达万余人。延岑败走成都，他的军队大多降汉。于是，光武帝给公孙述写信劝其投降，陈言祸福，并示以丹青之信，被公孙述拒绝，于是光武帝展开对成都的攻夺战。

十月，公孙述困守成都，使用间谍战术，派刺客装扮成亡奴投降岑彭，利用夜间混入岑彭近前刺杀了岑彭。岑彭被刺杀后，汉军失去主将，监军太中大夫郑兴就暂时代替岑彭统制全军，退出武阳以等待吴汉的增援。十二月，吴汉率3万军溯江而上，接领郑兴所统率的岑彭军，并立即向成都再次展开攻击。

建武十二年（36年）正月，吴汉正准备向武阳攻击之际，公孙述已首先派魏党、公孙永二将突然袭击汉军的背后，汉军在鱼涪津（今眉山县境内的岷江渡口）大败之，遂进攻武阳。公孙述又派史兴带5000人救武阳，汉军斩杀史兴及其所有的残兵，进入犍为界，但各县都坚守城池以拒汉军。于是，光武帝诏令汉越攻广都，据其心腹；汉越直趋广都并很快攻破，随即派轻骑烧成都桥。因此，公孙述的将帅十分惊恐，叛离的很多，武阳以东的小城全部降汉。光武帝再次向公孙述招降，劝其“不要以来歙、岑彭被害而自疑”，但公孙述仍加以拒绝，丝毫没有投降的意思。同年七月，冯骏才攻克江州，俘虏田戎。这时，吴汉仍在继续围攻成都还没能攻克。光武帝下诏吴汉指出作战的方针为：“成都十余万众，不能轻而视之。但要坚守广都，等待敌人来进攻，不要和敌人争锋；如果敌人不敢来，只转营逼迫他，必须让敌人疲惫，才可以进攻。”但吴汉并没遵从这项作战方针，而是乘胜自己率领步骑兵2万多，进攻成都，距成都十余里，阻江北为营，架浮桥，让副将威武将军刘尚率领一万多人屯居江南，二者相距20多里。光武帝得悉吴汉的这种部署，大为震惊，并派人谴责吴汉，大致说：为什么你临事悖乱？既轻敌深入，又和刘尚分别扎营，事情一旦紧急，二者又如何相救；贼若出兵缀公，而以大军攻刘尚，那么刘尚被攻破你也会失败。幸好这些都还没有发生，应立即引兵还广都。

吴汉又上报，光武帝就再予指示机宜：“现在还归广都很好，公孙述必定不敢丢下刘尚而进攻你。如先攻刘尚，你从广都50里，让步骑赴之，正值敌人危困，必能破敌。”于是，吴汉与公孙述战于成都和广都之间，八战八克，遂进军于成都的城郭中。这时在成都北面的臧宫军，也正相继攻破绵竹涪城（今四川绵阳县），斩公孙恢，又南攻繁（今新繁县东北）、郫（今郫县）二城，并都攻克，遂与吴汉会师围攻成都。公孙述被困在城中日久且十分危急，向延岑问计，延岑主张不要太爱惜财物，于是公孙述把他的金帛全拿出来，招募敢死的士兵5000人给延岑，让他们攻击汉军。

延岑伪建旗帜，鸣鼓挑战以便敌人发生误解，暗中派奇兵袭击汉军的背后，汉军不意被敌人袭破，吴汉坠水，后拉着马尾得救。吴汉遭此挫败，加上军粮只够七日食用，遂暗备船只，准备悄悄撤走。蜀郡太守张堪得知，驰往说汉，认为公孙述必败，不能撤退，吴汉从之，就示弱以挑战。十一月臧宫军屯驻于咸门（成都北二门，西边的叫咸门）。十一月十八日，公孙述大举出击，让延岑向咸门攻臧宫，自己带兵数万攻吴汉。延岑大战臧宫，三战三胜，公孙述大战吴汉，从早上战到中午，军士没吃饭且很疲惫，吴汉因此派护军高午、唐邯带锐兵万余人击之，公孙述军大乱，高午冲入敌阵刺述，公孙述被刺坠马，述的左右将其救入城，于是公孙述将他的军队都交给延岑，当夜公孙述就死了，第二天延岑献城投降，遂灭蜀。到此为止，光武帝的统一大业，全部告成。