吴汉趁着夜色，率领部队悄悄撤出营寨，渡过锦江，与驻守在南岸的副将刘尚合兵一处。两军会合后，汉军兵力重新占据优势，吴汉随即调整部署，构筑坚固营垒，与蜀军形成对峙。
次日清晨，延岑发现汉军主力消失，以为吴汉已逃，便率军追击，结果遭遇汉军的伏击。吴汉、刘尚率领汉军前后夹击，蜀军大败，死伤无数。经此一役，吴汉彻底稳住了战局，并严格按照刘秀“敌疲再攻”的战术，不再主动出击，而是与蜀军在成都、广都之间展开拉锯战。每当蜀军发起进攻，汉军便坚守营垒，消耗敌军体力；待蜀军疲惫撤退时，汉军再出兵追击，歼灭敌军有生力量。
数月的拉锯战，让蜀军的兵力与粮草消耗殆尽，士气低落。吴汉见时机成熟，率领汉军对成都发起总攻，先后在成都周边击败多支蜀军，兵锋直抵成都城下。与此同时，北线的刘尚与平定了江州的臧宫也率军赶来，臧宫先是攻克繁（今四川彭县西北）、郫（今四川郫县）两座重镇，彻底切断了成都与外界的联系，随后与吴汉会师，将成都团团围困。
公孙述被困在成都城内，粮草断绝，援兵无望，却仍不愿投降。他在城中招募了五千名敢死士，交由大将延岑指挥，准备与汉军进行最后的决战。决战之日，延岑率领敢死士从成都城南的市桥（今四川成都南郊）突然杀出，汉军猝不及防，阵脚大乱，吴汉险些被擒。
但此时的汉军已今非昔比，吴汉很快稳定军心，他下令隐蔽精锐部队，只派老弱士兵出战，故意示弱，引诱蜀军追击。公孙述见汉军“不堪一击”，认为这是击败汉军的最后机会，竟亲自率领宫中侍卫与剩余蜀军出城参战。就在蜀军追击汉军至预设阵地时，吴汉下令精锐部队全线出击，蜀军瞬间被分割包围，首尾不能相顾。
混战中，公孙述被汉军士兵一箭射中胸部，身负重伤，只得率军退回城中。当晚，公孙述因伤势过重去世。延岑见公孙述已死，成都城内群龙无首，深知大势已去，遂打开城门，率领成都守军向吴汉投降。
随着成都的陷落，割据巴蜀十二年的公孙述政权彻底覆灭。自建武元年（公元25年）刘秀在鄗城称帝，至建武十二年（公元36年）平定巴蜀，整整十二年的时间里，刘秀率领麾下将领，先后击败了河北的农民军、关东的割据势力、陇右的隗嚣与巴蜀的公孙述，终于结束了自新莽末年以
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