Казань была большим, многолюдным городом, важным административным, политическим центром. Гарнизон Казани насчитывал более 2000 хорошо вооруженных солдат и офицеров с многочисленной артиллерией. Взять Казань было трудно. 11 июля Пугачев и Белобородов с 50 казаками произвели разведку укреплений Казани. Под вечер на совещании полковников было принято решение начать одновременно штурм Казани с разных сторон. Главные силы пугачевцев двинулись на приступ от Арского поля, отряд под командованием пугачевского полковника Минеева наступал на правом фланге, на левом фланге боевыми действиями восставших руководил Белобородов.
Восставшие с разных сторон хлынули в город, опрокидывая, преследуя, забирая в плен тех, кто не успел укрыться в крепости. Несмотря на то, что повстанцы были плохо вооружены, они сумели очень быстро овладеть Казанью. Это была их самая значительная победа за весь период Крестьянской войны 1773–1775 гг., и одержана она была потому, что пугачевцы использовали наступательную тактику, проявили много находчивости и военной смекалки.
Важным фактором, повлиявшим на исход штурма Казани, явилась поддержка, оказанная повстанцам городскими низами.
Как только Пугачев овладел первым укреплением Казани, дворовые, ремесленники, мастеровые, с нетерпением ожидавшие его прихода, отслужили в церкви Покрова молебен о победе «государя». Когда же восставшие полностью овладели городом, казанцы вместе с армией Пугачева начали расправляться с представителями администрации и знатью.
Во время боевых действий в Казани на одной из улиц города среди выпущенных из тюрьмы колодников Пугачев встретил свою семью: жену Софью и детей — Трофима, Аграфену и Христину. Трофим крикнул: «Матушка! Смотри, батюшка ездит!» Пугачев приказал посадить их в телегу, сказав, что эта семья казака Пугачева, замученного в тюрьме.
Предстояло еще взять Казанский кремль, где укрылись войска, чиновники, помещики, духовенство, купцы. Пугачев и Минеев били из пушек по крепости перекрестным огнем. Положение осажденных было безнадежным. Казалось, вот-вот пугачевцы возьмут и этот последний опорный пункт правительства в Казанском крае, но в разгар боя за овладение крепостью Пугачев получил сообщение о приближении к городу отряда правительственных войск под командованием подполковника Михельсона, 12 июля подошедшего к Казани.
Штурм крепости был отложен. По приказу Пугачева восставшие вышли из города через Арское поле, остановились в 7 верстах от Казани, у села Царицына, где и встретили правительственные войска. Разыгралось кровопролитное сражение. Упорство и отвага восставших вначале поколебали ряды карателей, но в конечном итоге хорошо вооруженные царские войска, имеющие большой военный опыт, взяли верх. Бои под Казанью продолжались 13 и 15 июля. Но силы были неравны. Правительственные войска были хорошо вооружены и имели опытных военачальников. В армии Пугачева только часть заводских крестьян, казаков ~ и башкир имели ружья, а большинство были вооружены пиками, саблями и дубинами. Кроме того, у восставших не было воинской дисциплины, так как их армия росла так быстро, что Пугачев не имел времени заняться обучением крестьян, тем более, что его преследовали отряды правительственных войск.
Потери восставших были очень велики. Пугачевцы потеряли убитыми и пленными свыше 7000 человек. В плен попали Иван Белобородов и Федор Минеев.
После поражения под Казанью Пугачев двинулся по Волге.
Последний этап крестьянской войны
Начался третий, последний этап крестьянской войны.
«Пугачев бежал, но бегство его казалось нашествием» (А. С. Пушкин). 18 июля остатки Главной армии переправились через Волгу. Теперь в войске «Третьего императора» оставалось мало горнозаводских и прочих «работных людей» и «заводских мужиков», еще меньше башкир и калмыков. Только яицкие, илецкие и прочие казаки составляли по-прежнему ядро Главной армии и занимали в ней командные должности. Идя через крестьянский край на правобережной Волге, войско Пугачева пополнялось за счет крестьян: русских, татар, чувашей, мордвы, кое-как вооруженных и совсем не знавших военного дела. На смену полкам Главной армии первого периода крестьянской войны приходили крестьянские отряды бесчисленных «пугачей». Кроме того, преследуемый по пятам регулярными войсками, Пугачев шел так стремительно, что вскоре он вынужден был отказать в приеме в войска всем пешим, а об организации войска нечего было и думать.
После поражения под Казанью казаки говорили Пугачеву, что «время вам идти в Москву принять престол!». Пугачев отвечал: «Нет, детушки, нельзя! Потерпите! А когда будет, так и я сам без вашего зову пойду. Но я-де теперь намерен идти на Дон, — меня там некоторые знают и примут с радостью». И Пугачев двинулся на юг, на Дон, к казакам, оставляя за собой горящие дворянские усадьбы, мятежные села и деревни.