Болотников и еще один самозванец — Лжепетр (беглый холоп Илейка Коровин, назвавшийся «царевичем Петром Федоровичем», мифическим сыном царя Федора Ивановича) оказались во главе одного из самых мощных в российской истории народных восстаний. В нем приняли участие не только крестьяне и холопы, но и многие служилые люди, отряды которых возглавили авторитетные в их среде вожди: П. П. Ляпунов, Г. Ф. Сумбулов и И. И. Пашков. Одержав победы над правительственными войсками под Кромами, Ельцом, потерпев неудачу в столкновении в устье реки Угры, но затем взяв реванш в бою на реке Лопасне, восставшие вышли к реке Пахре. Здесь после жаркого боя отряда Пашкова с войском М. В. Скопина-Шуйского, мятежники были остановлены. Отступив к Коломне, Пашков соединился с рязанским войском Г. Ф. Сунбулова и П. П. Ляпунова и овладел этой важной крепостью. Затем повстанческие отряды начали новое наступление на Москву. Встревоженный успехами мятежников Василий Шуйский направил против них армию под командованием Ф. И. Мстиславского и Д. И. Шуйского. 25 октября 1606 г. в 50 верстах от столицы, у села Троицкого, произошло большое сражение закончившееся тяжелейшим поражением московских «бояр и воевод». Взятых в плен 9 тыс. простых ратников Пашков распустил по домам, а знатных пленников отправил в Путивль. 28 октября 1606 г. войска Пашкова подошли к Москве, куда вскоре прибыл и Болотников, принявший на себя командование всей повстанческой армией. Основные позиции мятежников находились у села Коломенского и у деревни Заборье (у Серпуховских ворот), а рать Пашкова отошла к Николо-Угрешскому монастырю. Осада столицы длилась более месяца — до 2 декабря. Это был период наивысшего подъема восстания, охватившего тогда огромную территорию: под контролем мятежников находилось более 70 городов юга и центра России.
В критический момент борьбы московские власти проявили максимум решимости и организованности, тогда как действия повстанческих вождей оказались неэффективными. Искушенный в политических интригах Василий Шуйский и поддержавшие его церковные иерархи сумели убедить москвичей, в неизбежности жестокой мести за свержение Лжедмитрия I. Решимости столичного посада стоять до конца против мятежной рати не смогли поколебать ни проникающие в город вражеские лазутчики, ни распространяемые восставшими прокламации — «воровские листы», как называл их патриарх Гермоген.
Посадские люди, участвовавшие в начавшихся в повстанческом лагере у села Коломенского переговорах, также говорили с мятежниками твердо и убедительно. На все утверждения Болотникова о том, что он видел в Польше «царя Димитрия» москвичи отвечали: «Это несомненно, другой, мы того Димитрия убили». Подобная уверенность не могла не произвести определенного впечатления на соратников Болотникова, особенно из числа рязанских и тульских служилых людей. Вскоре монолитное антиправительственное движение окончательно распалось.
Воспользовавшись установившейся на период переговоров мирной передышкой, московское правительство сумело собрать войска. В столицу прибыли дворянские ополчения из Смоленска, Дорогобужа, Белой и Вязьмы. Армия Шуйского росла, армия Болотникова слабела — 15 ноября 1606 г. на сторону московского царя перешли дворянские отряды П. П. Ляпунова и Г. Ф. Сумбулова.
Решающее сражение под Москвой началось 30 ноября. Длившаяся с перерывами в течение трех дней, упорная битва завершилась лишь 2 декабря разгромом главных сил повстанческой армии. Решающую роль в поражении мятежников сыграло два фактора: во-первых, недюжинное полководческое дарование, выказанное молодым московским воеводой Михаилом Васильевичем Скопиным-Шуйским, во-вторых, переход на сторону правительственных войск отряда И. И. Пашкова.
После поражения остатки армии Болотникова отступили в Калугу, а затем в Тулу, под защиту крепких стен здешнего Кремля. Наступил последний этап восстания. 21 мая 1607 г. во главе большой армии на Тулу, «на свое государево и земское дело», выступил царь Василий Иванович. Четыре месяца отряды Болотникова и Лжепетра обороняли город. Лишь реализация смелого замысла сына боярского Ивана Кровкова, предложившего запрудить р. Упу и затопить Тулу, помогла сломить сопротивление повстанцев. 10 октября 1607 г. они сдались, выдав царю вождей восстания. Некоторые участники этого движения — И. М. Заруцкий, А. З. Просовецкий, многие рядовые повстанцы, уцелевшие после его разгрома — продолжали борьбу с правительством В. И. Шуйского в рядах польско-казачьего войска Лжедмитрия II.