Gặp lúc Ngôi Hiêu ra mặt chống đối, mùa hạ năm thứ 6 (30), Quang Vũ đế lại sai Hán tây tiến đồn trú Trường An. Năm thứ 8 (32), Hán theo Quang Vũ đế đông thượng Lũng Hữu, rồi vây Ngôi Hiêu ở Tây Thành. Đế sắc cho Hán rằng: “Binh sĩ các quận chỉ lãng phí lương thực, lại còn bỏ trốn, sẽ khiến cho lòng quân rời rã, nên trả về cả đi!” Bọn Hán muốn có càng nhiều binh lực càng tốt, nên không làm thế, khiến cho lương thực ngày càng thiếu thốn, tướng sĩ mệt mỏi bệnh tật, người bỏ trốn ngày càng nhiều; đến khi Công Tôn Thuật đến cứu Ngôi Hiêu, Hán bèn thua chạy.

Mùa xuân năm thứ 11 (35), Hán soái bọn Chinh nam đại tướng quân Sầm Bành đánh Công Tôn Thuật. Trong khi Sầm Bành phá Kinh Môn, thẳng tiến vào Giang Quan, còn Hán ở lại Di Lăng, sửa sang thuyền bè, sau đó đem binh Nam Dương và 3 vạn tù nhân nhập ngũ ngược dòng mà đi. Gặp lúc Sầm Bành bị hành thích, Hán kiêm lãnh quân đội của ông ta.

Mùa xuân năm thứ 12 (36), Hán cùng tướng của Công Tôn Thuật là Ngụy Đảng, Công Tôn Vĩnh giao chiến ở Ngư Phù tân (bến), đại phá họ rồi vây Vũ Dương. Công Tôn Thuật sai con rể là Sử Hưng đem 5000 người đến cứu; Hán đón đánh Hưng, diệt sạch kẻ địch, nhân đó tiến vào ranh giới của quận Kiền Vi. Các huyện đều đóng cửa cố thủ, Hán bèn tiến đánh Quảng Đô, chiếm được, rồi sai khinh kỵ đốt Thị Kiều thuộc Thành Đô, khiến các thành nhỏ từ Vũ Dương về phía đông đều xin hàng.

Quang Vũ đế giáng sắc răn Hán rằng: “Thành Đô có hơn 10 vạn binh, không thể xem thường. Chỉ nên giữ chắc Quảng Đô, đợi họ đến đánh, chớ cùng họ tranh phong. Nếu họ không dám đến, ngài hãy chuyển doanh đến gần, đợi họ mệt mỏi, mới có thể đánh.” Hán thừa thắng, tự đem hơn 2 vạn bộ kỵ áp sát Thành Đô, ở cách thành hơn 10 dặm, tựa vào bờ bắc Dân Giang [14] dựng doanh trại, bắc cầu nổi, sai phó tướng Vũ uy tướng quân Lưu Thượng đem hơn vạn người đóng đồn ở bờ nam, cách nhau hơn 20 dặm. Đế nghe tin thì cả sợ, trách Hán rằng: “Đã nhắc đi nhắc lại với ngài, sao lại tự ý làm loạn! Khinh địch vào sâu, lại còn chia doanh với Thượng. Có việc bất ngờ, thì không kịp ứng cứu. Nếu giặc xuất binh chặn ngài, lấy đại quân đánh Thượng, Thượng bị phá thì ngài cũng bại đấy. May mắn chưa có việc gì, mau mau đem binh trở về Quảng Đô.” Chiếu thư chưa đến, Công Tôn Thuật quả nhiên sai tướng là Tạ Phong, Viên Cát đem hơn 10 vạn quân, chia làm hơn 20 doanh, đều ra đánh Hán; sai biệt tướng đem hơn vạn người đánh Lưu Thượng, khiến hai người không thể ứng cứu cho nhau. Hán đại chiến 1 ngày, thất bại, chạy vào trong lũy; Tạ Phong nhân đó vây ông. Hán bèn triệu chư tướng mà khích lệ rằng: “Tôi cùng các anh vượt qua gian nan, chinh chiến ngàn dặm, đến đâu cũng chém giết, rồi vào sâu đất địch, đến dưới thành của chúng. Mà nay ta cùng Lưu Thượng đều bị vây, không thể hội họp, tai vạ khó lường. Ta muốn ngầm đưa quân sang bờ nam với Lưu Thượng, hợp binh chống địch. Nếu chúng ta có thể đồng lòng ra sức, ai cũng chiến đấu, thì sẽ lập được đại công; còn không phải như thế, bại ắt không sai. Là thành hay bại, ở một trận này!” Chư tướng đều nói: “Vâng!” Vì thế Hán đãi đằng người ngựa, đóng cửa 3 ngày không ra, dựng thêm nhiều cờ phướn, đốt khói lửa không dứt, rồi trong đêm ngậm tăm đem quân cùng Lưu Thượng hội họp. Bọn Tạ Phong không phát giác, sáng hôm sau còn chia binh kháng cự bờ bắc, dồn lực lượng tấn công bờ nam. Hán dốc tất cả binh nghênh chiến, từ sớm đến trưa, đại phá quân Thục, chém Tạ Phong, Viên Cát, giết được hơn 5000 lính mặc giáp. Sau đó Hán đưa binh quay về Quảng Đô, để Lưu Thượng ở lại kháng cự Công Tôn Thuật, dâng sớ trình bày, khẩn khoản tự trách. Đế đáp lại rằng: “Ngài về Quảng Đô, là rất hợp lý, Thuật ắt chẳng dám tấn công Thượng mà sẽ đánh ngài đấy. Nếu hắn đánh Thượng trước, ngài từ Quảng Đô chỉ cách đó 50 dặm, dốc tất cả bộ kỵ mà đến, nhằm vào lúc họ đang nguy khốn, ắt là phá được!”

Từ ấy Hán cùng Công Tôn Thuật giao chiến ở khoảng Quảng Đô, Thành Đô, 8 trận thắng cả 8, tiến vào quách của Thành Đô. Công Tôn Thuật tự đem mấy vạn người ra thành đại chiến, Hán sai Hộ quân Cao Ngọ, Đường Hàm đem mấy vạn tinh binh đánh trả. Quân Thục thua chạy, Cao Ngọ xông lên đâm trúng Thuật. Ngày hôm sau, Thành Đô đầu hàng, Hán chém đầu Công Tôn Thuật gởi về Lạc Dương.

Tháng giêng ÂL năm thứ 13 (37), Hán chỉnh đốn đội ngũ rồi xuôi Trường Giang quay về. Đến Uyển, Hán nhận chiếu lệnh trở về nhà, làm lễ tảo mộ tổ tiên, được ban 2 vạn hộc lương thực.