Под Казанью собрались все роды русского войска: и «крепкие конники», и «огненные стрельцы», и татарские силы, пришедшие с ханом Шигалеем, и мордва, и черкесы, и наемники: немцы, фряги (итальянцы), ляхи (поляки). Поддерживать порядок в таком огромном и разноязычном войске было очень трудно. Тяжелый переход из-под Коломны к Свияжску показал, что дисциплина «поисшаталася». Путь полем, где взметалась к небу пыль от тысяч конских копыт и людских ног, при необычной даже для июня-июля жаре, отсутствие воды в пересохших речонках породили «многие нестроения». У каждого омута происходила свалка из-за воды, ее черпали котлами, корцами, пригоршнями, «друг друга биющи и угнетающи, и задавляющи». Главной задачей стало восстановление порядка и боеспособности войска. На каждые сто человек был выбран голова, которому должны были подчиняться остальные дети боярские. По мере продвижения русских сил на восток на Суру являлись с просьбой о принятии в подданство горные черемисы, которые получили распоряжение «на реках мосты мостить и тесные места чистити на дорозе». Часть горных людей (князья, мурзы, казаки) вошла в русское войско.
23 августа началась регулярная осада Казани. Были возведены «туры» — башни против всех городских ворот — Арских, Царевых, Аталыковых, Тюменских. Под руководством прибывших итальянцев они были выстроены «фряжским обычаем» с тремя «бои» (проемами для стрельбы) — верхним, средним и нижним.
26 августа казанцы совершили неудачную вылазку. На современников этот бой произвел сильное впечатление: «От пушечнаго бою и от пищалнаго грому и от гласов и вопу и кричяния от обоих людей и от трескости оружии и не бысть слышати другу друга».4
Пользуясь отступлением казанцев, стрельцы устроили окопы перед турами, а сами туры укрепили более мощными пушками. Вскоре весь город оказался в плотном кольце тур, между которыми в отдельных местах под руководстством дьяка Ивана Выродкова был сооружен тын. 27 августа начался артиллерийский обстрел крепости. «Стенобитным боем и верхными пушками огненными» были поражены многие казанские артиллеристы.Однако крепость, стены которой не могли разрушить орудия, в изобилии снабженная припасами, все еще держалась. Начали делать подкоп. «Литвин Розмысл» (Эразм) предложил разрушить тайный ход, который вел к ключу у Муралеевых ворот, где расположились стрельцы. Подкоп удался, в него заложили 11 бочек пороха, и 4 сентября тайник был взорван. Город остался без питьевой воды. Начались болезни.
Через два дня русские войска под руководством князя Андрея Горбатого предприняли поход к Арску; проводниками служили «горные люди». В походе принимала участие темниковская мордва, давно служившая под царскими стягами, и большое количество пешего стрелецкого войска. Отряду удалось занять Арск и всю Арскую сторону, захватив много пленных и скота.
В Казани же все оставалось без изменений. Изнемогавший от осады город все еще не сдавался. С новой башни напротив Царевых ворот крепостные пищали обстреливали улицы. Туры все больше и больше приближались к крепостным стенам в районе Царевых и Арских ворот. Между стеной и турами оставался только один ров шириной в три и глубиной в семь саженей. Однажды в обеденное время осажденные сделали вылазку и напали на эти туры. Немногочисленные воины, находившиеся там, обратились в бегство. Менее удачной была вылазка у Збойливых ворот, где туры не были еще так близко от стен. К 30 сентября туры были придвинуты ко всем воротам. Казанцы предприняли еще одну, последнюю отчаянную попытку прорвать осаду. Выйдя из крепости, они мужественно бились на мостах, у ворот, врукопашную, копьями и саблями. Городская стена, ворота и мосты были подожжены, а русские войска ценой громадных усилий укрепились в башне, на стенах и у Арских ворот. Готовясь к решительной схватке, русские отряды загородились крепкими щитами и два дня под руководством воевод князя Михаила Ивановича Воротынского и Алексея Даниловича Басманова ожидали нападения казанцев.
Велась тщательная подготовка к общему штурму крепости, 1 октября рвы были засыпаны землею и лесом, и через них было возведено много мостов. Эразм соорудил под стеной новые подкопы. Один за другим они были взорваны; в крепостных сооружениях образовались проломы. Тем временем царь медлил. В одной из полотняных церквей для него служили молебен. Дважды присылали за ним, а он все еще не мог собраться с силами. Наконец, только когда русские знамена развевались на всех городских стенах, «самодержец» сел на коня.
Казань пала. Едигер был захвачен в плен, его воины преданы казни, а оставшиеся в живых женщины и дети были розданы русским воинам, «у всякого человека руского полон татарьской бысть». В «новопросвещенном граде» остались воеводы князья Александр Горбатый и Василий Серебряный, а царь с войском двинулся в Москву. Казанская война закончилась.