Однако изнемогавший от осады город, при почти полном отсутствии артиллерии, не сдавался. Казанцы быстро исправляли разрушенные стены, вдвигая в бреши деревянные срубы, наполненные землей. Они опускали перед воротами металлические заслоны, предохранявшие их от артиллерийского огня, не прекращали частые вылазки, мешая русским войскам приближаться к стенам. Лишь к 30 сентября удалось продвинуть туры ко всем воротом и расставить их по всему рву вдоль стен. Между стенами и турами оставался только один ров шириной в 6 и глубиной 14 метров. 30 сентября был произведен второй сильный подрыв порохового заряда, заложенного в яме непосредственно у Арских ворот. Он должен был отвлечь внимание защитников города и позволить приблизиться русским войскам непосредственно к воротам. Взрыв был такой силы, что, когда казанцы опомнились, стрельцы успели занять башню и часть стены у Арских ворот. Татары предприняли попытку выбить русских, но были отбиты.
1 октября русская осадная артиллерия в упор сбила весь участок стены у Арских ворот, а саперы засыпали в нескольких местах рвы землей и лесом. Под стенами были прорыты два новых подкопа, куда заложили 240-пудовые пороховые заряды. Рано утром 2 октября начался общий штурм города. Сигналом послужили два страшных взрыва с интервалом в 1 минуту. В стенах образовались большие проломы, куда бросились десятки тысяч русских ратников. Казанцы оказали мужественное сопротивление превосходящим силам русских войск и были даже моменты, когда они переходили в контратаки. Овладев стенами, русские встретили не менее ожесточенное сопротивление на улицах и в домах города. К концу дня русские войска взяли второй пояс обороны Казани — внутреннюю ограду, где заперся хан с гвардией. Хан Ядигер-Мухаммед был взят в плен, а «ратных людей за их измены» Иван Васильевич приказал «избити всех».
С падением Казани вооруженная борьба Московского государства в Среднем Поволжье не завершилась. В начале 1553 г. в Казанской земле началось массовое восстание населения за восстановление государственности и ханской власти. Во главе восстания стоял бывший сотский голова Мамыш-Берды. Восставшие предприняли попытку пригласить на ханский престол мурзу Мухаммеда, сына ногайского правителя Исмаила. Восстание представляло для Москвы серьезную угрозу, так как Турция и Крым не отказались от своих планов создания широкой коалиции против Московского государства. Российской дипломатии в этих условиях важно было не допустить объединения своих противников, используя существующие между ними противоречия.
Получив известие о приглашении восставшими на казанский престол Мухаммеда, Иван Грозный направил посольство к ногайскому князю Исмаилу с предложением возвести на астраханский престол его ближайшего родственника Дервиша. Рассчитывая на поддержку Москвы, Исмаил категорически запретил своему сыну принимать предложение казанских людей стать новым ханом. Однако отказ Исмаила от участия в коалиции против Московского государства не отражал намерений всех ногайских мурз. Летом 1553 г. Исмаил не смог помешать избранию сына своего брата Юсуфа мурзы Али-Акрама на казанский престол. Вскоре новый казанский хан со значительным ногайским войском прибыл в свою новую столицу город Чалым в 160 км от Казани вверх по течению Волги.