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.