Когда царь Иван Грозный узнал о набеге татарского князя, он отправил Строгановым гневное письмо, грозя жестокой опалой и приказывая немедленно вернуть казаков. Поздно! Ермак уже достиг перевалов Уральского хребта, построил крепость и назвал ее Кокуй. Она будет прикрывать его коммуникационную линию на случай отступления. Затем спустился по реке Журавлик и перешел на реку Тура, протекающую через владения князя Епанчи. Зная о приближении опасности, князь Епанча набрал в войско татар и вогулов, они заняли позиции на берегу Туры, но при первых же выстрелах пушек Ермака воинство князя Епанчи разбежалось… В свою очередь, хан Кучум организовал оборону, сосредоточил свои силы, назначил командующим своей конницей Маметкула, а сам с основными силами своей армии стал в укрепленном лагере у подножия горы Турваш.
Фортуна продолжала улыбаться Ермаку. На берегах Тобола, у Бабасана, он разгромил 10 000 сибирских всадников, взял в плен вождя племени Карачу, его лагерь и богатые трофеи, а также провиант для своего войска. Следующее сражение произошло на Иртыше. И вновь победа сопутствовала казакам. Последовали новые успехи, в частности завоевание города Атык-Мурзы. Хан Кучум отступил в горы и поручил свои крепости племяннику Маметкулу. Буквально на следующий день появился Ермак. Его казаки бросились на войско Маметкула и, когда сибиряки предприняли вылазку, своей артиллерией отбросили их назад. Противник заколебался, остяков и татар охватила паника при виде Маметкула, которого вынесли с поля боя тяжело раненным… Разгром вынудил хана Кучума бежать в Ишимские пустыни, бросив свою столицу Сибирь и свои сокровища.
27 октября 1581 года Ермак и его казаки триумфаторами вошли в Сибирь. Но триумф оказался не таким радостным, как надеялись победители, ибо если они захватили и сумели поделить кучи драгоценных камней, мехов и золототканой парчи, то вот съестных припасов в городе не обнаружили… К счастью, через три дня после занятия ими Сибири князь Бохар во главе своих остяков пришел заявить о своем подчинении Ермаку: он принес подарки… и провиант! После остяков стали приходить татары со своими семьями, чтобы заплатить дань победителю.
Ермак сумел внушить этим народам абсолютное доверие, свое войско заставил жить с ними мирно и организовал управление завоеванными территориями. Ноябрь прошел мирно. Но 5 декабря спокойствие было нарушено Маметкулом, который, едва выздоровев после ранения, внезапно напал на два десятка русских, рыбачивших на озере Алабак, и перебил их. Ермак немедленно бросился в погоню за Маметкуловыми татарами и, нагнав их, нанес им большие потери. Зима прервала боевые действия. За этот период два вогульских князя неожиданно подчинились русским и предложили платить им дань.
Весной 1582 года война возобновилась. В апреле, когда Маметкул стоял лагерем возле Вагая, Ермак ночью внезапно атаковал его и взял в плен. Продолжая поход, он спустился по Иртышу и достиг устий Армид-Зюки, где находилась крепость остававшихся непокоренными татар, оказавших ему сопротивление. Взяв цитадель штурмом, он повесил татарских вождей и покорил окрестную территорию. Возобновив движение, он встретил остяков и кудских вогулов. Их вождь с двумя тысячами воинов закрылся в крепости. Ермак предложил им переговоры. Они отказались. Атаман обстрелял крепость из пушек и повел казаков на штурм. И одержал победу.
Продолжился спуск по Иртышу, сопровождаемый боями, в том числе против князя Самара, могущественного вождя племени остяков, похвалявшегося пленить Ермака… Казаки разбили Самара. Они атаковали на рассвете, когда остяки еще спали, убили князя и рассеяли его войско. Вся область покорилась и попросила принять ее в царское подданство.
Дойдя до Оби и овладев Назымом, столицей остяков, атаман Ермак Тимофеевич остановился. Он назначил остякского князя Алачея «верховным вождем» остяков и двинулся обратно в Сибирь, «среди изъявлений верности новых российских подданных». Из Сибири он послал к Строгановым гонца (первого со времени выступления в поход) с отчетом о своих подвигах. Также он написал царю, что ждет прибытия его наместников, дабы передать им без всяких условий Сибирское царство, и прибавляет, что готов «умереть в бою или на плахе, как то будет угодно Богу и государю». Письмо было вручено казацкому командиру Ивану Кольцо, который отправился в Москву со Строгановыми.
Иван Грозный встретил Ивана Кольцо милостиво, осыпал почестями и подарками, затем назначил к отправке в Сибирь князя Семена Волконского с 500 человек подкрепления. Кроме того, он позволил Ивану Кольцо набирать добровольцев. Наконец, он дал десять священников для евангелизации покорившегося населения.