Один эпизод осады привлекает к себе особое внимание, поскольку проливает свет на некоторые черты характера молодого царя. После одного из сражений Иван IV приказал привести захваченных пленных к стенам крепости и «привезати их к колью». После этого царь велел дать знать в Казань, что, если город не будет сдан, всех пленных ждет смерть. Тогда, по свидетельству Курбского, со стен Казани в несчастных стали пускать стрелы, говоря: «Лутче... увидим вас мертвых от рук наших бусурманских нежели бы посекли вас кгауры („гяуры“, то есть неверные, не-мусульмане. —
Положение русского войска под Казанью улучшилось, когда русской рати во главе с князем Александром Борисовичем Горбатым удалось нанести поражение тем войскам, которые нападали на осаждавших извне. Это дало возможность вплотную заняться осадой города, который постоянно обстреливала русская артиллерия. 30 сентября начался тяжелый, многочасовой штурм. Русские войска во главе с князем Михаилом Ивановичем Воротынским и Алексеем Даниловичем Басмановым заняли часть городских стен и вынуждены были остановиться. Рядом с занятыми стенами казанцы поставили «срубы», заполненные землей.
Перелом наступил 2 октября, когда находившийся в царском лагере иноземный мастер Размысл взорвал порох в подкопах, сделанных в двух местах под городскими стенами. После взрывов начался общий штурм города, продолжавшийся несколько часов. О том, что произошло после того, как русские войска, наконец, ворвались в Казань, достаточное представление дает краткая запись в Разрядных книгах: «Государевые ратние люди во град Казань овы в полые места влезоша, инии же по десницам и по прислонам, во граде биюще татар по улицам, мужей и жон по дворам, а иных из ям выволачиваючи и из мизгитей (мечетей. —
В тот же день, после того как одну из улиц города удалось очистить от трупов, Иван IV въехал в Казань и остановился в ханском дворце. В следующие дни началась закладка в городе христианских храмов. Царь и сопровождавшее его духовенство «з животворящими кресты и со святыми иконами» обошли городские стены, освящая город, вырванный христианской ратью из рук мусульман. Казанское ханство формально не прекратило своего существования, но теперь казанским ханом считался сам русский царь. В Казань прибыли с челобитьями представители подчинявшихся ранее казанским ханам народов, и царь их «пожаловал», разрешил уплачивать «ясак» в установленном традицией размере, как было при хане Мухаммед-Эмине.
Особого рассмотрения заслуживает вопрос о поведении царя во время штурма, так как данные источников на этот счет заметно расходятся между собой. Согласно версии официальной летописи, царь пребывал на службе в походной церкви, когда при чтении слов Евангелия «да будет едино стадо и един пастырь» взорвался первый подкоп, а за ним вскоре и второй. Начался штурм города, о чем тут же известили царя, но он продолжал молиться, ответив: «аще до конца пениа дождем да съвършеную милость от Христа получим». Когда царь сел на коня и выехал к войску, «знамена христианские» были уже на «стенах градных». Ту же версию мы находим и в ряде литературных текстов, вышедших из духовной среды: «Степенной книге», составленной при участии царского духовника Андрея (будущего митрополита Афанасия) в Чудовом монастыре, в повестях о взятии Казани троицкого старца Адриана Ангелова.
Совсем иначе описываются события в тексте «Разрядных книг» (сборника записей о военных назначениях, использовавшегося при разборе местнических споров), источника светского по своему происхождению и делового по своему характеру. Здесь также подробно говорится о совершении литургии и молитвах царя перед образами святых, в особенности Сергия Радонежского, но происходило все это еще до начала штурма. Лишь после того, как царь прибыл к войску, последовал приказ «отволочити от города Казани наряд стенобитной», а уж затем были взорваны подкопы. Ту же версию мы находим и в особом летописном рассказе о походе, близком, но не тождественном рассказу Разрядных книг. Здесь также говорится, что сначала царь «взьеде на гору и ста полком» и лишь потом отдал приказ о взрыве подкопов.