Начало осады было омрачено страшной бурей с дождем и градом, повалившей все шатры, в том числе, и царский; на Волге погибло много судов с запасами. Это происшествие едва не посеяло панику среди ратных людей, но царь не упал духом: он велел двинуть новые запасы из Свияжска и объявил, что не отойдет от Казани, хотя бы пришлось под ней зимовать. Русские воеводы, обложив город, решили применить систему параллелей, то есть создать вокруг крепости две линии из туров с позициями для артиллерии. Вскоре под прикрытием пищальников и казаков были поставлены первые туры; боярин Морозов прикатил к турам большие пушки, и с того времени орудийные залпы не утихали до конца осады. Казанцы предпринимали ежедневные отчаянные, но безуспешные вылазки, стремясь уничтожить русские огневые позиции.
Тем временем ногайский князь Япанча ударил в тыл передового полка из Арского леса. Хотя воеводы успели дружным натиском отбить Япанчу, однако он с этой поры не давал покоя. Как только поднималось на высокой городской башне большое татарское знамя, он тотчас кидался из лесу, а казанцы атаковали спереди. На праздник Усекновения главы Иоанна Предтечи (29 сентября) поставили туры и со стороны Казанки. Таким образом, в течение семи дней весь город был окружен параллелями: в сухих местах турами, в низких и сырых — плетнем.
Чтобы облегчить осаду, часть войск — 15 тысяч пехоты и 30 тысяч конницы во главе с воеводой князем Горбатым-Шуйским и князем Серебряным — получила задачу нейтрализовать ногайцев. Главные силы Шуйский расположил в засаде, а небольшой отряд выслал к лесу — выманить ногайцев. Действительно, Япанча вышел из лесу, погнался и попал в засаду. Тут его охватили со всех сторон, изрядно потрепали и загнали в лес.
По возвращении Шуйского царь предложил татарам сдаться, иначе грозился перебить всех пленных. Ответа не последовало: пленных казнили на виду у города. На другой день государь призвал военного инженера и приказал ему сделать два подкопа: один — под тайник, у реки Казанки, где находился водоисточник, а другой — под Арские ворота. День и ночь работали русские; вкатили под тайник 11 бочек пороха, и 4 сентября тайник, а вместе с ним и часть стены взлетели на воздух; при этом погибло много казанцев; с этого времени защитники крепости вынуждены были пить гнилую воду, отчего между ними пошел мор. Многие мурзы хотели было просить мира, но другие, более упорные, а также их муллы, ни за что не соглашались.
Осада продолжалась. Между делом князь Горбатый-Шуйский после кровопролитного боя взял в Арском лесу сильно укрепленный острог, который стоял на крутой горе, между болот, и служил военно-вещевым и продовольственным складом. Все неприятельские запасы достались русским. Управившись здесь, Шуйский повоевал Арскую землю вплоть до самой Камы. Через 10 дней отряд вернулся под Казань с богатой добычей, в обозе пригнали множество скота, доставили на подводах муку, пшено, овощи. Кроме того, воевода вернул много русских пленных.
Тем временем дьяк И. Г. Выродков построил осадную башню в шесть сажен вышиной. Ночью ее подкатили на катках к городской стене против Царских ворот; втащили туда пушки, а с рассветом начали обстрел внутренней части города; пищальники выбивали живую силу врага. Казанцы искали спасения в ямах, прятались за насыпными валами; не отказываясь при этом от вылазок и продолжая нападать туры.
Прошло пять недель осады; наступала осень, и русские ратники с нетерпением ждали конца. Несмотря на голод и на жажду, значительные потери, казанцы продолжали храбро отбиваться. Тогда русские воеводы придвинули туры к самым воротам. Татары опомнились, бросились на вылазку, и бой продолжался у самых стен, у ворот. Наконец, русские осилили и на плечах неприятеля ворвались в город. Воротынский просил у царя подкреплений, но Иван проявил осторожность и приказал отойти. Арская башня осталась за стрельцами; ворота, мосты и стены были подожжены. Татары всю ночь ставили против этих мест срубы, засыпая их землей. На другой день — это был праздник Покрова — воеводы палили из пушек ядрами и камнями до тех пор, пока не сбили городскую стену до основания; в этот же день заполнили ров бревнами, землей, а где нельзя было это сделать, приготовили мост. На 2 октября, в воскресенье, объявили всем ратным людям, чтобы готовились идти на общий штурм.
В первой линии было назначено идти казакам и полкам боярских дворовых людей. В таких полках считалось по 5 тысяч конных людей да при них по тысяче стрельцов с пищалями и по 800 казаков с лукам и рогатинами; пешим надлежало катить перед собой щиты на катка или на колесах. Во второй линии должны были идти воеводы с главными силами, наступая каждый против указанных ворот; в третье линии находились царская дружина и запасные воеводы для поддержки второй линии. Иван IV, прежде чем начать кровопролитие, послал в город мурзу Камая предложить казанцам капитулировать. Казанцы снова ответили отказом.
Наступила ночь. После тайной беседы с духовником Иван IV начал вооружаться. Когда Воротынский доложил, что порох подложен и мешкать нельзя, он послал оповестить полки, а сам пошел к заутрене, отслушав которую, велел «наволочить» на древко царское знамя. Кай только развернулось великое знамя, то во всех полках тотчас были распущены свои знамена; под звуки набатов и зурн войска стали расходиться по своим местам.
И вот раздался мощный взрыв, разрушивший Арские ворота и част стены. Вскоре послышался второй взрыв, еще более сильный. Тогда русские люди, воскликнув: "С нами Бог!" — пошли на приступ. Казанцы встретили их криком: "Магомет! Все помрем за юрт!" Бестрепетно стояли татары на обломках стены, презирая смерть. Они кидали в русских бревна, стреляли из луков, крошили саблями, обливали кипящим варом. Но это не остановило штурмовавших: одни кинулись в пролом, другие карабкались на стены по лестницам и бревнам; третьи подсаживали друг друга на плечах наверх.
Когда царь подъехал, на стенах уж развевались русские знамена. Казанцы дрались на ножах в тесных и кривых улицах. В эту решительную минуту удача чуть было не отвернулась от русских. Многие «корыстовники» бросились грабить дома, таскали добычу в лагерь, снова возвращались за тем же. Передовые бойцы изнемогали, а помощи не было — сзади царили сумятица и грабеж. Казанцы, заметив это, бросились в контратаку. Царь, стоявший неподалеку со своей дружиной, был поражен постыдным бегством; одно время он подумал, что все кончено. По его приказанию половина царской дружины сошла с коней; к ней пристали седые, степенные бояре, отроки, окружавшие царя, и все вместе двинулись к воротам. В своих блестящих доспехах, в светлых шлемах царская дружина врубилась в ряды казанцев; хан Едигер быстро отошел к оврагу, потом к ханскому дворцу. В обширных каменных палатах дворца татары защищались еще часа полтора.
Выбитые из ханского дворца казанцы бросились в нижний город, к Елбугиным воротам, что выходили на Казанку; но тут их встретили полки Андрея Курбского. По трупам своих, лежавших вровень со стеной, казанцы взобрались на башню и стали говорить: "Пока стоял юрт и ханский престол, мы бились до смерти за хана и юрт. Теперь отдаем вам хана живого и здорового. А мы выйдем на широкое поле испить с вами последнюю чашу!" Выдав хана, татары бросились прямо со стен на берег Казанки и, поснимав доспехи, побрели через реку. Воеводы перехватили им дорогу, и почти все они, тысяч до шести, погибли в рукопашной свалке. В городе не осталось ни одного защитника — лишь женщины да дети. Князь Воротынский прислал сказать царю: "Радуйся, благочестивый самодержец! Казань — наша, ее царь в плену, войско истреблено".
Владимир Андреевич, бояре, воеводы и все ратные чины поздравили царя с победой. Толпы русских пленников встречали царя, обливаясь слезами: "Избавитель ты наш! Из ада нас вывел; для нас, своих сирот, головы не пощадил!" Царь приказал отвести их к себе в стан, накормить, а потом разослать по домам. Все сокровища Казани, кроме пленного царя, пушек и ханских знамен, Иван Васильевич приказал отдать ратным людям.
Таким образом, Казанское ханство было ликвидировано. Однако победа Москвы была закреплена лишь после подавления восстаний на территории бывшего Казанского ханства (1552–1557). После этого Среднее Поволжье окончательно вошло в состав России. Казанские татары, чуваши, вотяки (удмурты), мордва, черемисы (марийцы) стали подданными московского царя. Этими событиями была предопределена судьба Астраханского ханства (Нижнего Поволжья), присоединенного к России в 1556 году. В следующем году Большая Ногайская Орда, кочевья которой располагались между средним и нижним течением р. Волга и р. Яик (Урал), признала свою зависимость от Ивана IV; русское подданство приняли башкиры. С этого времени весь волжский торговый путь оказался в руках России. Для московской колонизации открылись огромные пространства плодородных и малонаселенных земель. В 80-е годы XVI века здесь возникли города — Самара Саратов, Царицын (Волгоград) и Уфа.
