建武八年（公元32年）他投奔識人用賢的光武帝，並協助劉秀西平隗囂，揮師出戰，使隗囂聞風潰散而敗。在破羌安隴的戰鬥中，他身先士率，腿肚子被箭射穿，流血不止，仍征戰直到獲勝，帝賜他三千只羊，三百頭牛，他將這些犒品分發部下，深得將士的敬重和擁戴。建武十七年（公元41年），他被授予"伏波將軍"稱號。
馬援南征時準備載回壹車為民治病的薏米，打算在內地推廣試種，卻被奸臣誣說他搜刮民間的珍珠瑪瑙。馬援聞知，將薏米當眾傾入水中，因此桂林出了個伏波潭、還珠洞。
建武二十三年（公元47年）冬，南方陵（今湖南常德）五溪蠻再次暴動，朝廷多次派官兵鎮壓不能取勝，朝野為之震驚。這時馬援年已六十二歲，在外征戰數十年，飽經風霜，有病在身，但他仍然請求出戰，光武帝憐他年老體衰，馬援卻說："老當益壯，我還能披甲上馬！"他飛身上軍，率軍奔波在疆場上，屢戰屢勝，但終因病重不治逝於征戰的軍旅中，實現了他"馬革裹屍"的壯誌。馬援死後，奸臣們群起誣陷，皇帝偏聽讒言，收回他的伏波將軍封號，還不準正式安葬。其妻和家族不敢冒犯皇威，只好在扶風郡伏波村南將其草埋。
馬援死後，我國南方各族人民為了紀念他的豐功偉績，惟恐奸臣掘墳碎屍，便在廣西、雲南等地廣為建墳築墓，留下"馬援冢處處多"之言。直到漢明帝時誣陷者的陰謀敗露，馬援的天大冤枉才得以昭雪。漢章帝劉火旦 又恢復了他的"伏波將軍"稱號，追謚為忠誠侯。
馬援出生將門，其祖先是春秋戰國時期趙國的大將趙奢。趙奢原是壹個征收田稅的小官，善於養馬馭馬，功勛卓著，趙惠文賜號?quot;馬服君"與廉頗、藺相如職位相同，自此，趙奢的後代子孫便以馬為姓。其父馬仲，只作過玄武司馬，管理軍政和軍賦。到了漢武帝時，其家從河北邯鄲遷至陜西關中扶風郡，世代作官為將。這家族就稱扶風馬氏。其中壹支輾轉到福建定居，繁衍生息。有壹支脈所聚居的連城四堡鄉（現劃歸長汀縣），宋明時期曾成為全國印刷中心之壹。在長樂市也有聚居的馬氏家族，宋代永樂十年出了個狀元馬樂（鐸），據傳他文章寫的很好，宋成祖曾題壹聯送他：聖朝禮樂同三代，翰苑文章第壹家。