刘秀是汉高祖九世孙，西汉景帝子长沙王刘发之子舂陵节侯刘买的后裔，其父为南顿令刘钦，母樊娴。世代居住在南阳蔡阳，属地方豪族。自幼钟情于阴丽华，后至长安，见执金吾车骑甚盛，因叹曰：“仕宦当作执金吾，娶妻当得阴丽华。”战争时期时值王莽当朝，天下大乱，赤眉军与绿林军起兵反王莽。刘秀此时亦与其兄刘演在舂陵起兵，与绿林兵共同拥护更始帝刘玄。23年，刘秀率绿林军3万以少胜多于昆阳灭王莽军42万，杀其主帅王寻，取得昆阳大捷。
此后刘演兄弟威望大盛，遭到刘玄的猜忌。刘秀有所察觉，但刘演不以为意，终被刘玄借故杀死。此时刘秀也处于危险之中，只得向刘玄谢罪，并不敢为哥哥服丧，饮食言笑如常。后刘玄占据洛阳，派刘秀巡视黄河以北，刘秀始得脱离险境。
刘秀在河北积蓄力量，日益壮大，被刘玄封为萧王。但刘秀手下不断劝进，终于在25年，刘秀于鄗城即皇帝位，改元建武，国号仍为汉，史称东汉。次年迁都洛阳，改洛阳为“雒阳”
赤眉军立刘盆子为傀儡皇帝，击败刘玄，刘玄投降后被杀。刘秀先后荡平赤眉、张步、隗嚣、公孙述等割据势力，于建武十二年统一中国。
刘秀的军事才能很高。称帝之后遣众将攻伐四方，往往能从前方上报的排兵布阵形势中发现问题，有时因前方不能及时得到纠正，便为敌人所败。此外，刘秀待人诚恳简约，宽厚有信，窦融、马援等均由此归心。
在新末的军阀混战中，刘秀的军纪相对较好，但手大将吴汉等仍然多有屠城、暴掠之举。天下未定之时刘秀对诸将的约束显然不够，造成手下大将邓奉因家乡遭吴汉军劫掠，忿而反叛。直到吴汉与刘尚攻灭最后一个敌人公孙述，纵兵大掠成都，刘秀才肯斥责他们。然而诏书虽写得声情并茂，吴汉的官爵却并未受到影响。
刘秀死后，其子汉明帝刘庄将统一战争中功劳最大的二十八人的影像画在云台阁，称云台二十八将。
执政时期刘秀统一中国后，厌武事，不言军旅，建武二十七年，朗陵侯臧宫、扬虚侯马武上书：请乘匈奴分裂、北匈奴衰弱之际发兵击之，立“万世刻石之功”光武却下诏：“今国无善政，灾变不息，人不自保，而复欲远事边外乎！……不如息民。”不同于先祖汉高祖刘邦得天下后诛杀功臣的无情，刘秀分封三百六十多位功臣为列侯，给予他们尊崇的地位，只解其兵权。其实，在统一中国之前，他就开始削弱国防建设，废郡国兵制，罢郡国都尉。削弱地方兵权的同时，导致后来无力抵御外患，而豪强地主的部曲家兵则迅速发展，像东汉末年的董卓就是一例。
刘秀以后不设丞相，而是“虽置三公”但“事归台阁”；一方面削弱三公权力，使三公成为虚位，另一方面又扩大尚书台的职权，成为皇帝发号施令的执行机构，所有权力集中于皇帝一身。”《后汉书·申屠刚传》说：“时内外群官，多帝自选举，加以法理严察，职事过苦，尚书近臣，至乃捶扑牵曳于前，群臣莫敢正言。”、“自是大臣难居相任”建武二十八年他借故搜捕王侯宾客，“坐死者数千人”，严禁结党营私。
中元二年二月戊戌，崩于洛南宫前殿，享寿63岁，在位33年。葬于原陵，庙号世祖，谥光武皇帝。
评价刘秀是个宽厚简易的人。在统一过程中，刘玄的一些手下曾参与谋害他的哥哥，他能够不计前嫌地招降并厚待；分封功臣时，不顾他人劝说，将最大的封地划到了四县之广；战争尚未结束，就将原来十分之一的税率减到三十分之一；马援为隗嚣所使，分别访问公孙述和刘秀，独为刘秀的人格魅力折服；耿弇、窦融曾专制一方，以兵多权大心不自安，而刘秀对他们未有半点疑虑。凡此种种，都成为他成功的决定性因素。甚至在统一之后，他废郭皇后及太子刘强，立阴皇后及次子刘阳，犹能令郭皇后到其子中山王的封国安享余年，两子之间不生嫌隙，也没有受到臣下及后人的议论。
而刘秀的明智也颇有限。他迷信图谶，时而感情用事，处事不公。以直谏逼死韩歆，因包庇险些杀死董宣，都是其帝王生涯的污点。