Комендант крепости Иван Кузьмич Миронов — офицер «из солдатских детей», человек необразованный, но честный и добрый. Его жена, Василиса Егоровна, полностью им управляет и на дела службы смотрит как на свои хозяйственные. Вскоре Гринев становится для Мироновых «родным», да и сам он «незаметным образом <…> привязался к доброму семейству». В дочери Мироновых Маше Гринев «нашел благоразумную и чувствительную девушку».
Служба не тяготит Гринева, он увлекся чтением книг, упражняется в переводах и сочинении стихов. Поначалу он сближается с поручиком Швабриным, единственным в крепости человеком, близким Гриневу по образованию, возрасту и роду занятий. Но вскоре они ссорятся — Швабрин с издевкой раскритиковал любовную «песенку», написанную Гриневым, а также позволил себе грязные намеки относительно «нрава и обычая» Маши Мироновой, коей эта песенка была посвящена. Позже, в разговоре с Машей, Гринев выяснит причины упорного злоречия, которым Швабрин ее преследовал: поручик сватался к ней, но получил отказ. «Я не люблю Алексея Иваныча. Он очень мне противен», — признается Маша Гриневу. Ссора разрешается поединком и ранением Гринева.
Маша ухаживает за раненым Гриневым. Молодые люди признаются друг другу «в сердечной склонности», и Гринев пишет батюшке письмо, «прося родительского благословения». Но Маша — бесприданница. У Мироновых «всего-то душ одна девка Палашка», в то время как у Гриневых — триста душ крестьян. Отец запрещает Гриневу жениться и обещает перевести его из Белогорской крепости «куда-нибудь подальше», чтобы «дурь» прошла.
После этого письма для Гринева жизнь стала несносной, он впадает в мрачную задумчивость, ищет уединения. «Я боялся или сойти с ума, или удариться в распутство». И только «неожиданные происшествия, — пишет Гринев, — имевшие важное влияние на всю мою жизнь, дали вдруг моей душе сильное и благое потрясение».
В начале октября 1773 г. комендант крепости получает секретное сообщение о донском казаке Емельяне Пугачеве, который, выдавая себя за «покойного императора Петра III», «собрал злодейскую шайку, произвел возмущение в яицких селениях и уже взял и разорил несколько крепостей». Коменданту предложено «принять надлежащие меры к отражению помянутого злодея и самозванца».
Вскоре уже все заговорили о Пугачеве. В крепости схвачен башкирец с «возмутительными листами». Но допросить его не удалось — у башкирца был вырван язык. Со дня на день жители Белогорской крепости ожидают нападения Пугачева,
Мятежники появляются неожиданно — Мироновы даже не успели отправить Машу в Оренбург. При первом же приступе крепость взята. Жители встречают пугачевцев хлебом и солью. Пленных, среди которых был и Гринев, ведут на площадь присягать Пугачеву. Первым на виселице гибнет комендант, отказавшийся присягнуть «вору и самозванцу». Под ударом сабли падает мертвой Василиса Егоровна. Смерть на виселице ждет и Гринева, но Пугачев милует его. Чуть позже от Савельича Гринев узнает «причину пощады» — атаман разбойников оказался тем бродягой, который получил от него, Гринева, заячий тулуп.
Вечером Гринев приглашен к «великому государю». «Я помиловал тебя за твою добродетель, — говорит Пугачев Гриневу, — <…> Обещаешься ли служить мне с усердием?» Но Гринев — «природный дворянин» и «присягал государыне императрице». Он даже не может обещать Пугачеву не служить против него. «Голова моя в твоей власти, — говорит он Пугачеву, — отпустишь меня — спасибо, казнишь — Бог тебе судья».
Искренность Гринева поражает Пугачева, и тот отпускает офицера «на все четыре стороны». Гринев решает ехать в Оренбург за помощью — ведь в крепости в сильной горячке осталась Маша, которую попадья выдала за свою племянницу. Особенно его беспокоит, что комендантом крепости назначен Швабрин, присягнувший Пугачеву на верность.
Но в Оренбурге Гриневу в помощи отказано, а через несколько дней войска мятежников окружают город. Потянулись долгие дни осады. Вскоре случаем в руки Гринева попадает письмо от Маши, из которого он узнает, что Швабрин принуждает ее выйти за него замуж, угрожая в противном случае выдать ее пугачевцам. Вновь Гринев обращается за помощью к военному коменданту, и вновь получает отказ.
Гринев с Савельичем выезжают в Белогорскую крепость, но у Бердской слободы они схвачены мятежниками. И снова провидение сводит Гринева и Пугачева, давая офицеру случай исполнить свое намерение: узнав от Гринева суть дела, по которому тот едет в Белогорскую крепость, Пугачев сам решает освободить сироту и наказать обидчика.
По дороге в крепость между Пугачевым и Гриневым происходит доверительный разговор. Пугачев отчетливо осознает свою обреченность, ожидая предательства прежде всего со стороны своих товарищей, знает он, что и «милости государыни» ему не ждать. Для Пугачева, как для орла из калмыцкой сказки, которую он с «диким вдохновением» рассказывает Гриневу, «чем триста лет питаться падалью, лучше раз напиться живой кровью; а там что Бог даст!». Гринев делает из сказки иной нравственный вывод, чем удивляет Пугачева: «Жить убийством и разбоем значит по мне клевать мертвечину».