5 октября Пугачев с войском в 2,5 тыс. человек при 20 пушках осадил Оренбург, где находилось 3,7 тыс. солдат при 70 пушках. Посланный на выручку Оренбурга отряд генерал-майора В. Кара был разбит 9 ноября под Юзевкой. Кар, бросив войска, уехал в Москву. Его рассказы вызвали там панику. Однако в Оренбург удалось прорваться бригадиру А. Корфу с 2,5 тыс. солдат и 22 пушками.
Пугачевское войско под Оренбургом выросло в 15-тысячную «Главную армию» при 86 пушках, организованную по образцу регулярных частей. Боевое ядро войска составляли казачьи полки. В войске поддерживалась дисциплина, велось воинское обучение, выплачивалось жалованье. Отличившиеся награждались «медалями» — рублями Петра III. Части имели свои знамена, обычно с восьмиконечным староверским крестом. Штабом восставших стала «Государственная военная коллегия».
Пока Пугачев руководил восстанием из Оренбурга, Салават Юлаев поднял на восстание башкир. И. Чика-Зарубин с 10-тысячным войском при 25 пушках подступил к Уфе, А. Овчинников осаждал Яицкии городок, И. Арапов занял Самару. На стороне Пугачева выступило Калмыцкое войско. На Урале действовали А. Соколов (Хлопуша), И. Грязнов, И. Белобородов. К январю 1774 г. восстанием была охвачена огромная территория Нижнего Поволжья, Оренбуржья, Южного Урала, Прикамья. 92 завода Урала были охвачены восстанием. Заводские крестьяне лили пушки и ядра, снабжали восставших свинцом и порохом.
Усмирение бунта поручили генерал-аншефу А.И. Бибикову. Он подтянул регулярные войска и в нач. 1774 г. перешел в наступление. От Самары на Оренбург двигался отряд генерала П. Голицына. Решающее сражение произошло 22 марта у Татищевой крепости, близ Оренбурга, где Пугачев сосредоточил 9-тысячное войско против 6,5 тыс. у Голицына. Восставшие потерпели тяжелое поражение, потеряв 2 тыс. убитыми и 4 тыс. пленными, была захвачена вся артиллерия. На следующий день Пугачев покинул свою ставку в станице Берда под Оренбургом. 24 марта у Чесноковки под Уфой подполковник И. Михельсон разбил Чику-Зарубина и Салавата Юлаева. 1 апреля «Главная армия» была окончательно разгромлена у Сакмарского городка.
Пугачев с отрядом 500 человек укрылся в горах Южного Урала. Начался второй этап восстания. Пугачевское войско выросло за счет «заводских мужиков» и башкир до 8 тыс. Восстание вновь заполыхало в Башкирии, на Урале, в Прикамье. 21 мая восставшие были разбиты у Троицкой крепости генералом И. Де-колонгом. В бою погибли 4 тыс. восставших. 9 июня отряд И.И. Михельсона у деревни Ля-гушкиной нанес новое поражение Пугачеву, но тому удалось оторваться от преследования.
Пока правительственные войска оставались в Башкирии и на Урале, восставшие неожиданно вышли к Казани. Город обороняли 1,5 тыс. солдат и 6 тыс. вооруженных жителей. 12 июля 20-тысячная армия Пугачева ворвалась в Казань. Город сдался, и лишь военный гарнизон оборонялся в казанском кремле. Через 6 ч. подошли войска Михельсона, и Пугачев оставил охваченный огнем город. В сражениях 12 и 15 июля на Арском поле у Казани войска мятежников были разгромлены, Пугачев и 300 его сторонников переправились на правый берег Волги. Появление Пугачева в районах, где жили ок. 3 млн. крепостных крестьян, вновь разожгло огонь восстания. Оно перекинулось на Казанскую, Нижегородскую, Пензенскую, Тамбовскую, Воронежскую губернии. Простые люди с нетерпением ожидали прохода Пугачева. Для дворян и властей это был самый опасный этап войны. В новых манифестах Пугачев обещал сделать крестьян «вечными казаками», освободить от податей и рекрутских наборов. «Злодеев-дворян» теперь предписывалось «ловить, казнить и вешать». Всего пугачевцы казнили ок. 3 тыс. человек. Правительство опасалось, что Пугачев двинется на Нижний Новгород, а оттуда на Москву и Петербург. В Москве ввели военное положение, но Пугачев двинулся на юг, рассчитывая на помощь донских казаков, он не надеялся на успех с необученным и плохо вооруженным крестьянским войском. Его преследовали войска полковника Михельсона. За июль — август 1774 г. Пугачев овладел Саранском, Пензой, Камышином, Саратовом, Царицыном и другими волжскими городами. Восстание поддержали волжские казаки, но донские остались верны правительству. После неудачного штурма Царицына 10-тысячное войско Пугачева настиг 3-тысячный отряд Михельсона. В бою 24 августа у Сальниковой ватаги (к югу от Царицына) восставшие потеряли 2 тыс. убитыми и 6 тыс. пленными, а Михельсон — всего 16 человек убитыми. Пугачев с 200 яицкими казаками переправился на левый берег Волги. Яицкие казаки, примкнувшие ранее к восстанию, решили, что дальнейшая борьба бесполезна, и 8 сентября 1774 г. схватили Пугачева, а 14 сентября выдали его властям в Бударинском форпосте, в окрестностях которого год назад началось восстание.