Но скоро начались новые осложнения. Шигалей возбудил общую ненависть в Казани тем, что укрепляя свою власть, «зарубил казанцам добре»: убил сто человек из враждебной ему знати. Но «грубость» обратилась против него, и он понял, что ему «прожить в Казани не мощно». Из Москвы ему дали совет ввести в Казань московский гарнизон, но он отказался: «бусурман де есми, не хочу на свою веру стати». Тогда в Москве созрело решение не поддерживать более Шигалея, а склонить казанцев принять вместо хана государева наместника, который бы держал Казань в порядке военной силой, и содействовал окончательному выводу из ханства остатков русского полона, так как татары «куют и по ямам полон хоронят». После переговоров с Шигалеем и с теми кругами в Казани, которые шли на подчинение Москве, в феврале 1552 года Грозный послал в Казань Алексея Адашева свести Шигалея и вместо него назначил наместником князя С. И. Микулинского. Но в последнюю минуту, перед самым въездом в Казань Микулинского, казанцы «изменили», затворили город и отказались повиноваться Московскому государю. Во всем крае вспыхнула война. Казанцы подняли против русских не только луговую сторону, но и «горних людей», так что Свияжск оказался в осаде. Москве предстояла тяжелая кампания. Дело осложнялось еще тем, что казанцы снеслись с другими татарским центрами, получили из Ногайской орды воинскую помощь и хана Едигер-Магмета, которого и посадили вместо Шигалея в Казань; кроме того, они просили помощи и у Крыма.
Еще с ранней весны 1552 года Москва приняла некоторые военные меры. В Свияжск было послано подкрепление гарнизону, болевшему там цынгой. На всех сообщениях Казани («по всем перевозам» на Каме, Вятке и Волге) были поставлены отряды, «чтобы воинские люди в Казань да ни из Казани не ходили». В самой Москве шла работа по мобилизации возможно больших сил. Было решено одну рать послать Окой и Волгой в судах к Свияжску, другой идти сухим путем с Коломны на Муром и Свияжск. Тяжелая артиллерия была заблаговременно отправлена водой. Сам Грозный собирался в поход со своим полком вместе с сухопутной ратью. В июне началось движение сухопутной рати на Коломну, но не спешное, так как ожидали возможного нападения крымцев на южные окраины Руси. Эти ожидания сбылись. Крымский хан подошел к Туле и осадил ее, но был вскоре отражен отрядами посланными из Коломны. Только тогда, когда уверились, что крымцы убежали домой и всякая опасность с юга миновала, московская рать двинулась с Коломны на восток, через «поле» к Свияжску, куда прибыла только в середине августа. Здесь сказалось все значение Свияжского города, «воистину зело прекрасного», как выражается Курбский, рать пришла туда «яко в свои домы от того долгого и зело нужного пути». В Свияжске, по сообщению Курбского, был всего достаток, чего бы душа невосхотела. Туда было доставлено водой огромное количества провианта, даже явилось «купцов бесчисленное множество» со всяким товаром. Оттуда и была начата правильная осада Казани, шедшая около полутора месяца. Дело было подготовлено предусмотрительно и к нему были применены все правила тогдашнего осадного искусства. Осаждающие шли к городу траншеями, в которых располагалась пехота с огнестрельным оружием. Осадная артиллерия действовала не только с закрытых батарейных позиций, но даже с «вежи» — подвижной деревянной башни, на которую подняли 10 крупных орудий и 50 мелких пушек. Против стен крепости пустили в ход подкопы — дело новое для московской техники. Впервые московские люди познакомились с минным делом и испытали на себе его вред в 1535 году, когда литовские войска с помощью подкопа взяли Стародуб. Гарнизон Стародуба потому «того лукавства подкопывания не познал, что наперед того в наших странах не бывало подкопывания». Прошло всего пятнадцать лет, и у Москвы явились свои «подкопщики». Под Казанью Грозный имел «немчина, именуема Размысла[12], хитра, навычна градскому разорению», и поручил ему вести подкопы. Их вели несколько сразу, причем царь спешил с ним: он велел Размыслу на меньшие подкопы «учеников ставити, а самому большего дела беречи», чтобы поспеть скорее к развязке. Развязка последовала 2-го октября; после взрыва главного подкопа русские проникли в крепость и взяли ее. Казанское царство пало и Казань стала русским городом.
Хотя Грозный и упрекал бояр за то, что они «поотложили Казанское строение» (после взятия самой Казани мало заботились об устройстве завоеванного края), однако Москва хорошо воспользовалась одержанной победой. Среднее Поволжье было прочно закреплено за Москвой рядом крепостей, поставленных в инородческих областях, и энергической колонизацией вновь приобретенных хлебородных пространств в Поволжье. Прошло всего два-три десятилетия со времени «Казанского взятия», и самая Казань, и все волжское побережье до самой Астрахани стали русской страной. До Астрахани русские отряды добрались тотчас же по взятии Казанского царства и, воспользовавшись распрями в среде ногайских князьков, в 1556 году заняли Астрахань «на государя».