Предложение Белобородова было принято. 20 июня пугачевцы пошли на новый штурм крепости. Впереди двигались возы с соломой и сеном, а под их прикрытием шли к стенам крепости пугачевцы. Они стреляли из пушек, ружей и луков и ждали лишь приказа, чтобы броситься на штурм крепости. Осажденные сначала отстреливались. Среди штурмовавших оказались раненые, но они не покинули поле боя и продолжали идти вперед. Белобородов принимал горячее участие в бое. «Муж мой, Белобородов, — рассказывала жена Белобородова, — особливую к нападению ревность имел и был ранен в ногу». Вскоре жители крепости подняли восстание, обезоружили солдат и, зазвонив в колокола отбой, отворили ворота и вывели солдат навстречу пугачевцам.
Во время похода Пугачева по Каме сотник Белобородова Бахтиар Канкаев оказывал существенную помощь пугачевской армии: он набирал людей в армию Пугачева, охранял перевозы и вел наблюдение за действиями правительственных войск.
11 июля Пугачев во главе десятитысячной армии подошел к Казани. Город был со всех сторон обнесен рогатками и имел пять батарей. Пугачев и Белобородов с небольшой свитой осмотрели городские укрепления и убедились в возможности прорваться в тыл врага. На другой день был собран военный совет. Пугачев разделил свое войско на четыре части, дав одну из них Белобородову. Ему же было поручено захватить одно из наиболее важных городских укреплений, расположенных около Сибирской дороги.
Белобородов энергично взялся за дело. При штурме укрепления он вновь применил не раз испытанную им тактику. Пугачевцы двинули на город возы с сеном и подожгли их. «Погода, — рассказывает Верхоланцев, — предвещала им счастливый успех. Ветер дул прямо на неприятеля. Завязалась резня страшная. Густой дым пошел прямо на город, и наши сбили с вала сопротивлявшихся». Отряд Белобородова захватил пушки, прорвался за рогатки и зашел в тыл неприятелю. Во время штурма Белобородов впереди отряда поставил своего помощника Минаева, а сам шел в прикрытии, «принуждая свою команду к наибольшему поражению».
Белобородов в необходимых случаях был осторожным и предусмотрительным командиром. Ожидая, например, приближения конницы Михельсона к Казани, он заранее подготовил место сражения, сжег находившиеся на Арском поле кирпичные сараи, которые могли во время битвы помешать пугачевцам.
Под Казанью Пугачев был разбит. Вместе с небольшой группой своих приверженцев он бежал к Кокшайскому перевозу, где переправился через Волгу. Скоро он поднял восстание в Поволжье.
Во время боев под Казанью Белобородов был отрезан от главных пугачевских сил и разбит. Он три дня скрывался в лесах. Затем, назвавшись Иваном Шеклевым, явился к правительственным властям в Казань, но его опознали и арестовали.
В обвинительном заключении, составленном Казанской секретной комиссией, Белобородов обвинялся в том, что «он служил ему [Пугачеву] с отменным усердием… приводил к присяге к самозванцу верных рабов его императорского величества… рассылал лжесоставленные манифесты… брал порох на заводах и сражался неоднократно с верными войсками, ревностно исполняя повеления злодея…».
30 июля Белобородова допросила Казанская секретная комиссия во главе с генерал-майором П. С. Потемкиным. 13 августа по распоряжению этой комиссии он получил предварительное наказание — сто ударов кнутом.
Затем Белобородова, как одного из главных вождей восстания, отправили в Москву для предания смертной казни. Екатерина II предложила «казнить его по силе государственных законов».
В это время существовало восемь видов смертной казни: отсечение головы, повешение, расстрел, четвертование, закапывание живого в землю, залитие горла металлом, сожжение, повешение за ребро. Екатерина II хотя и считала, что «где вся власть в руках самодержца, в таком государстве не может в том быть никакой нужды, чтоб отнимать жизнь у гражданина», но в то же время признавала, что во время «беспорядков» смертная казнь необходима.
Дворяне хотели предать Белобородова одной из самых «тягчайших» форм смертной казни. Но Екатерина II, расправляясь с вождями восстания, боялась вызвать озлобление среди широких народных масс. Кроме того, она не желала подрывать свой авторитет «просвещенного монарха» среди передовых мыслителей Запада. Московский главнокомандующий князь М. Н. Волконский знал эти настроения Екатерины II и «учинил» Белобородову смертную казнь путем «отсечения головы».