Это был первый большой успех мятежников. Под впечатлением от победы над регулярными военными частями отряды восставших к началу 1774 года овладели Самарой и Ставрополем, осадили Уфу и Яицкий городок, а на севере подошли к Екатеринбургу.
Неудачный поход генерал-майора Кара убедил власти в серьезности проблемы. Екатерина II назначила новым военачальником генерал-аншефа А. И. Бибикова, который более основательно, нежели его предшественник, подошел к комплектованию и подготовке воинских частей. В результате войска Бибикова освободили Самару и нанесли мятежникам ряд чувствительных поражений. Генеральное сражение между правительственными силами и пугачевцами состоялось 22 марта (2 апреля) 1774 года на территории Татищевой крепости. Восставшие сконцентрировали в крепости от 7 до 9 тысяч солдат и порядка 30 пушек, в то время как генералы П. Д. Мансуров, П. М. Голицын и Ф. Ю. Фрейман подтянули к крепости около шести с половиной тысяч гвардейцев и 25 пушек. В ходе ожесточенного боя войска Пугачева потерпели крупное поражение. Сам предводитель восставших под прикрытием отряда казаков вырвался из крепости и укрылся в Бердской слободе.
Казалось, что правительственной армии остается только развить успех и дни мятежа сочтены. Но командующий войсками А. И. Бибиков внезапно умер, а новый назначенец, генерал-поручик Ф. Ф. Щербатов, не сумел организовать активные действия против бунтовщиков. Случайное затишье в военной кампании работало на восставших, позволяя им собраться с силами и выдвинуться к северу, на уральские заводы, в поисках новобранцев и запасов провизии.
С апреля по июнь 1774 года Пугачев захватывает один завод за другим, привлекая на свою сторону заводских крестьян и обзаводясь артиллерией. Впрочем, крестьяне, хотя и выступали основным источником пополнения мятежных отрядов, но зачастую были плохо вооружены и не имели представления о военной выучке. Практически крестьяне-новобранцы были абсолютно непригодны для противостояния регулярным войскам.
Гораздо более организованную и обученную структуру представляли собой башкирские конные подразделения. После присоединения к восставшим отряда национального башкирского героя Салавата Юлаева доля башкир возросла до двух третей от числа боеспособной части пугачевского войска. С таким пополнением военные задачи, разумеется, стали решаться проще.
В июне 1774 года Пугачев двинулся на запад в сторону Казани. По пути он взял несколько крепостей и заводов, обеспечив значительный приток в отряды местного удмуртского и татарского населения, а также приписанных заводских крестьян. В деревнях и селах, куда входили войска восставших, их встречали хлебом и солью, снабжали провиантом и фуражом. Численность пугачевцев достигла 20 тысяч человек, не считая множества мелких стихийных групп повстанцев, промышлявших в районах, охваченных восстанием. Периодические стычки правительственных войск с народными отрядами препятствовали должному преследованию Пугачева, обеспечив ему и его соратникам фору в несколько дней.
Быстро продвигаясь на запад, пугачевская армия оказалась у стен Казани неожиданно для горожан и городских властей. В городе нарастала паника. Опасаясь разграбления, состоятельные люди стали прятать свое имущество, началась эвакуация городского населения.
12 (23) июля 1774 года пугачевцы предприняли отчаянный штурм казанского посада и в течение дня заняли весь город. Единственным исключением стала территория Кремля, где укрылись основные силы защитников города. Это был кульминационный момент в истории пугачевщины: никогда более на протяжении всей крестьянской войны в руках восставших не находился столь крупный и стратегически важный центр. Но эйфория от успеха длилась менее суток.
В тот же день подоспевшие к городу войска генерала Михельсона вступили в бой с мятежниками и одержали победу. На следующий день положение восставших только усугубилось. Фактически они оказались в клещах между отрядом Михельсона и кремлевским гарнизоном, атаковавшим их в спину. 15 (26) июля состоялся решающий бой казанской кампании, в результате которого многократно уступающее в численности, но превосходящее по военной выучке правительственное войско разгромило бунтовщиков. Армия восставших была рассеяна, Пугачеву в числе немногих руководителей восстания удалось спастись.
Это поражение существенно уменьшило боеспособную часть армии, но не смогло подавить волну мятежа. С распространением бунта на поволжские территории и губернии, расположенные к западу от Волги, восстание по праву получило прозвание всенародного. В каждом городе, селе или деревне пугачевские отряды встречали широкую поддержку крестьян, выражавшуюся прежде всего в уничтожении местной помещичьей власти и наведении своих порядков. При приближении бунтовщиков крестьяне, как и на Урале, громили усадьбы, вступали в военные отряды, помогали продовольствием и фуражом.