Прежде всего, надо было подготовиться с военно-технической стороны. Важным элементом мыслилось строительство новой крепости, Свияжска. В отличие от построенного ранее Васильсурска, сооружения оборонительного характера, Свияжск должен был стать военной базой для наступления: «И умыслил государь город поставити на Свияге на устьи, на круглой горе, промеж Щучия озера и Свияги реки, и рать свою послати в судех многую и конную; да запасы свои царские посылати великие, да и вперёд к его приходам готов тот запас».
Проектировалось, а потом и было осуществлено создание по примеру Турции, передовой в то время страны, особого отборного войска, — и действительно был организован корпус стрельцов под командой «особых голов» (офицеров), в количестве тысячи человек, на 90 % набранных из провинциальных дворян. Царь испоместил из них всех, кто не имел подмосковных, владениями в ближайших окрестностях столицы в пределах 70-вёрстного радиуса от Москвы. Кстати, это позволяло подорвать частную военную службу у родовитых вельмож, создавав решительный перевес в пользу дворян. Царь получил регулярное войско, вооружённое огнестрельным оружием.
Армию усилили артиллерией; были вновь привлечены западноевропейские специалисты, которые ввели в военное дело новейшие инженерные изобретения, в том числе подкопы и мины под стены крепости. Пересмотрев причины неудач последних походов 1549 и 1550 годов, отказались от практики зимних походов, ранее представлявшихся более лёгкими в техническом отношении и экономными для населения, так как они не отрывали крестьян от полевых работ.
К выполнению военной части программы приступили ранней весной 1551 года. Внутри Руси была произведена заготовка строительных материалов для постройки крепости при устье Свияги, и весной сплавили лес по Волге. Одновременно началось установление блокады Казани. Один военный отряд пошёл к устью Свияги; также царь
24 мая в устье Свияги, внутри Казанского ханства, была заложена русская крепость.
Затем начался этап политической агитации.
Окрестное население пригласили от имени русского государя «у Свияжска города быти». Среди чувашей, черемисов и даже среди татар нашлись лица, которые заявили о принятии русского подданства и получили за это свободу от податей на 3 года и подарки — жалование, шубы и деньги. Русские воеводы в Свияжске приводили к присяге жителей окрестных селений. Черемис и чувашей отправляли группами в Москву представляться ко двору государя, «а государь их жаловал великим жалованьем, кормил и поил у себя за столом».
Уже первичные действия парализовали нормальную жизнь Казанского царства. Прекратился торговый обмен, нарушился подвоз продуктов, волжская торговля была уничтожена: всюду стояли заставы, плавание по рекам было запрещено, товары осматривались и отбирались. Страна была охвачена кольцом непроходимой блокады.
В июне в Казани начались волнения. «Чуваша арская» (по-видимому, Арские вотяки) приходили в столицу к ханскому двору «с боем на крымцев», и требовали подчинения московитам, но правительство крымца, оглана Кучака разогнало мятежников. Увеличивалось число недовольных непримиримостью правительства, которое довело жителей до такой крайности. Происходили волнения, и со дня на день можно было ждать переворота.
Понимая уже, чем дело кончится, крымский гарнизон решился на бегство, и триста человек, оставивши свои семьи, внезапно выехали из Казани. Судьба их оказалась печальной: «их побили на голову и потопили» на Каме. Сам Кучак попал в плен; всего в Москву было отправлено пленных 46 человек, — они все были казнены. Историк М. Худяков пишет: «Таков был конец крымского засилья в Казани; крымцы, составлявшие опору для хана Сафы и для Сююн-Бике, окончили дни на плахе в русской столице».
После бегства крымского гарнизона дни крымской династии на казанском престоле были уже сочтены, — власть перешла к сторонникам мира с Россией. Образовалось временное правительство, во главе которого стали оглан Худай-Кул и князь Нур-Али Ширин. Новое правительство немедленно вступило в мирные переговоры, и в Свияжск была отправлена депутация приглашать Шах-Али на престол. Начался дипломатический этап операции: Шах-Али заключил с казанцами перемирие на 20 дней и предложил отправить послов в Москву.