Царь созвал совет, рассказал Камаевы речи и рассуждал, как идти к городу. Приговорили: самому государю и князю Владимиру Андреевичу стать на Царском лугу, царю Шиг-Алею - за Булаком; на Арском поле стать большому полку, передовому и удельной дружине князя Владимира Андреевича; правой руке с козаками - за Казанкою; сторожевому полку - на устье Булака, а левой руке выше его. Приказано было, чтоб во всей рати приготовили на 10 человек туру да чтоб всякий человек приготовил по бревну на тын; приказано было также настрого, чтоб без царского повеления, а в полках без воеводского повеления никто не смел бросаться к городу. 23 августа полки заняли назначенные им места; как вышел царь на луг против города, то велел развернуть свое знамя: на знамени был нерукотворенный образ, а наверху - крест, который был у великого князя Димитрия на Дону; когда отслужили молебен, царь подозвал князя Владимира Андреевича, бояр, воевод, ратных людей своего полка и говорил им: "Приспело время нашему подвигу! Потщитесь единодушно пострадать за благочестие, за святые церкви, за православную веру христианскую, за единородную нашу братию, православных христиан, терпящих долгий плен, страдающих от этих безбожных казанцев; вспомним слово Христово, что нет ничего больше, как полагать души за други свои; припадем чистыми сердцами к создателю нашему Христу, попросим у него избавления бедным христианам, да не предаст нас в руки врагам нашим. Не пощадите голов своих за благочестие; если умрем, то не смерть это, а жизнь; если не теперь умрем, то умрем же после, а от этих безбожных как вперед избавимся? Я с вами сам пришел: лучше мне здесь умереть, нежели жить и видеть за свои грехи Христа хулимого и порученных мне от бога христиан, мучимых от безбожных казанцев! Если милосердый бог милость свою нам пошлет, подаст помощь, то я рад вас жаловать великим жалованьем; а кому случится до смерти пострадать, рад я жен и детей их вечно жаловать". Князь Владимир Андреевич отвечал: "Видим тебя, государь, тверда в истинном законе, за православие себя не щадящего и нас на то утверждающего, и потому должны мы все единодушно помереть с безбожными этими агарянами. Дерзай, царь, на дела, за которыми пришел! Да сбудется на тебе Христово слово: всяк просяй приемлет и толкущему отверзется". Тогда Иоанн, взглянув на образ Иисусов, сказал громким голосом, чтоб все слышали: "Владыко! О твоем имени движемся!"
150000 войска со 150 пушками обложили Казань, защищенную только деревянными стенами, но за этими стенами скрывалось 30000 отборного войска. 23 же числа начались сшибки с осажденными; при этих сшибках, обыкновенно удачных для русского войска, особенно удивлялись небывалому порядку: бились только те, которым было приказано; из других полков никто не смел двинуться.
В самом начале осады твердость Иоанна выдержала сильное испытание: страшная буря сломила шатры, и в том числе царский, на Волге разбило много судов, много запасов погибло; войско уныло, но не унывал царь: он послал приказ двинуть новые запасы из Свияжска, из Москвы, объявляя твердое намерение зимовать под Казанью; ездил днем и ночью кругом города, рассматривая места, где удобнее делать укрепления. Осадные работы шли безостановочно: ставили туры, снабжали их пушками; где нельзя было ставить тур, там ставили тын, так что Казань со всех сторон была окружена русскими укреплениями: ни в город, ни из города не могла пройти весть. Казанцы беспрестанно делали вылазки, бились отчаянно с защитниками тур, бились, схватываясь за руки, но были постоянно втаптываемы в город. От беспрерывной пальбы по городу гибло в нем много людей; стрельцы и козаки, закопавшись во рвах перед турами, также не давали казанцам входить на стены, снимали их оттуда меткими выстрелами. Но скоро внимание осаждающих было развлечено: из леса на Арское поле высыпал неприятель многочисленными толпами, напал на русские полки и хотя был отражен с уроном, однако не меньший урон был и на стороне осаждающих; пленники объявили, что это приходит князь Япанча из засеки, о которой говорил прежде Камай-мурза. После этого Япанча не давал покоя русским: явится на самой высокой городской башне большое знамя, и вот Япанча по этому условному знаку нападает на русских из лесу, а казанцы изо всех ворот бросаются на их укрепления. Войско истомилось от беспрестанных вылазок из города, от наездов из лесу и от скудости в пище: съестные припасы вздорожали, но и сухого хлеба ратнику было некогда поесть досыта; кроме того, почти все ночи он должен был проводить без сна, охраняя пушки, жизнь и честь свою. Для истребления лесных наездников отправились 30 августа князья Александр Борисович Горбатый и Петр Семенович Серебряный; войско Япанчи, конное и пешее, высыпало к ним навстречу из лесу и потерпело решительное поражение; победители преследовали его на расстоянии 15 верст, потом собрались и очистили лес, в котором скрывались беглецы; 340 человек пленных было привелено к Иоанну. Он послал одного из них в Казань с грамотами, писал, чтоб казанцы били челом и он их пожалует; если же не станут бить челом, то велит умертвить всех пленников; казанцы не дали ответа, и пленники были умерщвлены перед городом.
На другой день, 31 августа, царь призвал размысла (инженера), немца, искусного в разорении городов, и велел ему сделать подкоп под Казань. Потом призвал Камай-мурзу и русских пленных, выбежавших из Казани, и спросил, откуда казанцы берут воду, потому что реку Казанку давно уже у них отняли. Те сказали, что есть тайник, ключ, в берегу реки Казанки у Муралеевых ворот, а ходят к нему подземным путем. Царь сперва приказал воеводам сторожевого полка, князю Василию Серебряному и Семену Шереметеву, уничтожить тайник, но воеводы отвечали, что этого сделать нельзя, а можно подкопаться под тайник от каменной Даировой башни, занятой уже давно русскими козаками; царь послал для этого Алексея Адашева и размысла, но последнему велел для подкапывания тайника отрядить учеников, а самому надзирать за большим подкопом под город. День и ночь работали над подкопом под тайник, наконец подкопались под мост, куда ходят за водою; сам князь Серебряный с товарищами вошел в подкоп и, услыхав над собою голоса людей, едущих с водою, дал знать государю; царь велел поставить под тайник 11 бочек пороху, и 4 сентября тайник взлетел на воздух вместе с казанцами, шедшими за водой, поднялась на воздух часть стены, и множество казанцев в городе было побито камнями и бревнами, падавшими с огромной высоты; русские воспользовались этим, ворвались в город и много перебили и попленили татар. Только после этого несчастия осажденными овладело уныние; обнаружилось разногласие: одни хотели бить челом государю, но другие не соглашались, начали искать воды, нашли один смрадный поток и довольствовались им до самого взятия города, хотя от гнилой воды заболевали, пухли и умирали. 6 сентября с большим кровопролитием взят был острог, построенный казанцами в 15 верстах от города, на Арском поле, на горе между болотами. Взявши острог, воеводы пошли к Арскому городищу, воюя и пожигая села; от Арского городища возвратились другою дорогою к Казани, повоевали Арскую сторону всю, многих людей побили, жен и детей в плен взяли, а христиан многих из плена освободили; воевали они на 150 верст поперек, а в длину до самой Камы; выжгли села, множество скота пригнали к Казани в полки.
Между тем осадные работы продолжались: дьяк Иван Выродков поставил против Царевых ворот башню в шесть саженей вышиною; внесли на нее много наряду, пищали полуторные и затинные; стрельцы начали стрелять с башни в город и побивали много народу. Осажденные укрывались в ямах, копали рвы под городскими воротами, под стенами и рыли норы под тарасами: у всяких ворот за рвами были у них большие тарасы, насыпанные землею; выползая из нор, как змеи, бились они беспрестанно, день и ночь, с осаждающими, особенно жестоко бились они, не давая придвигать тур ко рву. Несмотря на то, князь Михайла Воротынский успел придвинуть туры к самому рву, против Арской башни и Царевых ворот, так что между городскими стенами и русскими турами оставался один ров в три сажени шириною и в семь глубиною". Придвинув туры ко рву, осаждающие разошлись обедать, оставив немногих людей подле укреплений; увидавши эту оплошность, казанцы вылезли изо всех нор, из-за тарасов и внезапно напали на туры; защитники их дрогнули и побежали; но воеводы успели выстроить полки и ударили на казанцев, которые были сбиты во рвы; русские били их и тут, но они норами убегали в город. Дело было кровопролитное, и хотя туры были спасены, но это спасение дорого стоило осаждающим, потерявшим много убитыми и ранеными; сам князь Воротынский получил несколько ран и спасся только благодаря крепости своего доспеха. В то время как ожесточенный бой кипел против Арской башни, ногаи и казанцы сделали вылазку из Збойлевых ворот на туры передового полка и ертоула; здесь воеводы были готовы, подпустили неприятеля к турам, ударили на него со всех сторон и поразили безо всякого для себя урона.
Видя, что русский огонь не причиняет большого вреда осажденным, скрывающимся за тарасами, царь велел подкопать эти тарасы и, как взорвет их, придвинуть туры к самым воротам, Арским и Царевым. 30 сентября тарасы взлетели на воздух с людьми; бревна побили множество народа в городе, остальные обеспамятели от ужаса и долго оставались в бездействии; стрелы перестали летать из Казани. Пользуясь этим временем, воеводы утвердили туры подле ворот Царевых, Арских и Аталыковых. Наконец казанцы опомнились, выскочили изо всех ворот и с ожесточением напали на русских. В это время Иоанн сам показался у города; увидав его, русские с новым рвением ударили на неприятеля, схватились с ним в воротах, на мостах, у стен, бились копьями и саблями, схватывались за руки; дым от пушечной и пищальной пальбы покрыл город и сражающихся; наконец осаждающие одолели, взобрались на стены, заняли Арскую башню, втеснились в самый город; князь Михайла Воротынский послал сказать Иоанну, что надобно пользоваться удачею и вести общий приступ; но остальные полки не были приготовлены к этому дню, и по царскому указанию воинов вывели насильно из города. Стены, ворота и мосты были зажжены, в Арской башне утвердились русские люди; мосты и стена горели целую ночь, из стены сыпалась земля; русские воеводы велели своим ратникам на занятых местах заставиться крепкими щитами, а туры засыпать землею; татары также работали: ставили срубы против пробитых мест и насыпали землею.