Судовая рать проделала путь до Казани без особых затруднений. Конные полки, разбив пытавшихся помешать им татар в нескольких небольших стычек, благополучно «перевезлися» через Волгу и 10 июля соединились на казанской стороне реки с войском И. Ф. Бельского и М. В. Горбатого. В ночь на 14 июля полк Ивана Федоровича Овчины Оболенского штурмом овладел построенным «на Булаке» острогом, где погибла большая часть его защитников, в том числе ханский аталык Талыш.
Первый успех русских и начавшаяся бомбардировка города встревожила горожан. Многие из них стали требовать прекращения борьбы и начала переговоров с Москвой. В этой обстановке хан Сафа-Гирей предпочел бежать из Казани. Но русские воеводы не спешили начинать решительный штурм крепости, где почти не осталось защитников, выясняя между собой, кому первому надлежит вступать в город. Неожиданно разразившаяся буря спутала их планы. Воспользовавшись замешательством в неприятельском стане, казанцы устроили внезапную вылазку и нанесли поражение русскому войску. Летописец записал: «В те поры туча пришла грозна и дождь был необычен велик, и который был наряд пищали <…> привезен на телегах на обозных к граду, а из них было стрелять по городу, и посошные и стрельцы (в данном случае пушкари. —
Опомнившиеся русские воины под командованием князя И. Ф. Бельского возобновили обстрел города, но уже без особого успеха. 30 июля 1530 г. осада была снята. Московское войско отступило за Волгу и 15 августа ушло к своим границам. Виновным в неудачном исходе этого похода признали Ивана Федоровича Бельского. Он был приговорен к смертной казни, но затем помилован и ввергнут в тюрьму, где находился до смерти Василия III.
Еще до возвращения бежавшего в Астрахань Сафа-Гирея, казанские князья и мурзы были вынуждены начать переговоры с Россией о принесении ими шертной присяги Василию III. Осенью 1530 г. в Москву прибыло татарское посольство во главе с князьями Табаем и Тевекелем и бакшей Ибрагимом. От имени хана они просили, чтобы великий князь «пожаловал <…> Сафа Киреа царя братом и сыном его себе учинил, а царь хочет быти в государьской воле, и князи и всей земли Казанской люди <…> служити вперед хотят прямо и неотступными быти всею землею Казанскою до своих животов и их дети». Послы дали Василию Ивановичу шертную запись, обещая, что она будет подтверждена Сафа-Гиреем и всеми казанскими князьями и мурзами.
В Казань срочно отправился русский посол Иван Васильевич Полев, который должен был привести власти ханства к присяге и потребовать возвращения пленных и захваченного во время последнего похода «наряда». Однако 26 марта в Москву прибыл посланный им сын боярский Сура Нехаев, сообщивший об отказе Сафа-Гирея утвердить данную Табаем и Тевекелем присягу. Переговоры возобновились. Не прекращая их, Сафа-Гирей затягивал время и выдвигал все новые требования к Москве. В то же время его послы в Крыму упорно добивались от Саадет-Гирея помощи в борьбе с Московским государством. Оказать действенную помощь племяннику «перекопский царь» не мог, но атмосфера на южной «украйне» стала накаляться. В феврале 1531 г., по прямому указанию Саадет-Гирея, произошло нападение «крымских людей» на одоевские и тульские места.
В ходе продолжавшихся переговоров московские дипломаты сумели привлечь на свою сторону послов Табая и Тевекеля, с помощью которых русские власти наладили контакты с самыми влиятельными в Казани князьями Кичи-Али и Булатом. Осознавали бедственное положение Казанского ханства, разоренного десятилетием непрерывных войн с Москвой, они видели, что непримиримая и лукавая политика Сафа-Гирея, окружившего себя крымскими и ногайскими советниками, неизбежно влечет за собой новые русские вторжения. Чашу терпения партии сторонников мира с Россией переполнил задуманная ханом расправа с русским посольством, арест и казнь всего состава русского посольства во главе с Иваном Васильевичем Полевым. Воспротивившись решению Сафа-Гирея арестовать и казнить И. В. Полева, чреватому новой истребительной войной с Москвой, «Качигалей мурза, и Булат князь в головах, и уланы, и князи, и сеиты, и мурзы и всей земли Казанские люди съвокупишася в едино место и убити [московского посла] не дали, а Сафа Киреа царя по великого князя наказу ис Казани выслали, и царевых советнико Крымцов и Нагай, а иных побили».
Василий III планировал поставить на освободившийся престол известного своей верностью Москве хана Шах-Али. Однако новое казанское правительство, во главе с царевной Ковгар-Шад (по русским летописям — Горшедна — сестра умершего хана Мухаммед-Эмина) и князьями Кичи-Али и Булатом, отказалось принять непопулярного в татарской среде правителя, испросив себе ханом младшего брата Шах-Али пятнадцатилетнего Джан-Али (Яналея).