Осада длилась 2 месяца. Донцы возвели батареи, начали артиллерийскую дуэль с азовцами. И, несмотря на количественное и качественное превосходство турецких пушек — у казаков было лишь несколько орудий средних и крупных калибров — огонь велся метко и успешно: “Башни многи и стены из пушек поразбивали. И окопались… около всего града, и подкоп подвели”. Подкоп предназначался для мины. Этот способ взятия крепостей русские хорошо знали и применяли со времен Ивана Грозного. Но у казаков руководил операцией “немец Иван Арданов”. Возможно, из наемников Смоленской войны, оставшийся на Руси — то ли примкнув к донцам, то ли пришедший с запорожцами. А может, и Москва тайком прислала специалиста. 17 июня работы закончили, в подкоп установили бочки с порохом. Изготовились два штурмовых отряда — один, во главе с Татариновым, со стороны заложенной мины, другой с противоположной — с десятками лестниц и фашинами для закидывания рва.
18 июня взрыв снес часть стены вместе с защитниками, “многих басурман с каменьями пометаша”. Оба отряда ринулись на штурм. Ворвались в пролом, лезли на стену. Опомнившись, турки стали оказывать ожесточенное сопротивление. Но значительные силы казаков уже проникли в город, на улицах, в облаках дыма и пыли от взрыва, пошла “сеча великая”. К вечеру часть уцелевших янычар заперлась во внутреннем замке и 5 башнях, часть бежала в степь. Казаки без перерыва продолжали атаковать оставшиеся укрепления, подтаскивали пушки, свои и трофейные, расстреливая стены. На вторые сутки пали последние очаги обороны. Пленных не брали, кроме женщин и детей. Да турки на милость и не рассчитывали, сражались до последнего. Гарнизон погиб, а бежавших перехватили конные заслоны у Кагальника и “всех посекли”. У казаков погибла пятая часть войска — 1100 чел. Было освобождено 2 тыс. русских рабов и рабынь, служивших местным богачам или ожидавшим продажи в “хранилищах” при невольничьем рынке. И добыча победителям досталась огромная.
Чириков, исполнявший в казачьем лагере обязанности военного наблюдателя, доносил, что донцы теперь решили перенести в Азов “главное войско”. Они и сами направили в столицу посольство во главе с атаманом Потапом Петровым. С просьбами очень неоднозначными. С одной стороны, казачество просило Михаила Федоровича принять Азов в подданство, соблазняя перспективами, что в этом случае “ногайские люди и города Тамань и Темрюк от крымского царя под государеву великую руку поддадутся”. Но с другой стороны, и реального подчинения Москве донцы не желали. Наоборот, просили не присылать царского воеводу, а оставить Азов в полном владении казаков. То есть, лелеяли планы создания собственного автономного государства, которое пользовалось бы покровительством России на правах чисто номинального подданства — как, допустим, кавказские княжества.
Да ведь и правительство этот вариант вполне устраивал, позволяя проводить свою политику и избегать при этом открытого разрыва с Крымом и Портой. Михаил Федорович принял казаков, для порядка попенял за то, что Азов взят “без царского повеления” и особенно за убийство посла — “ибо того не ведется и тогда, когда государи воюют, а я с султаном состою в мире”. Но наградил щедрым жалованием и отпустил с грамотой. В которой донцам поручалось разведать, “что умышляет крымский хан и ногайские мурзы”. Также указывалось: “Наблюдайте за крымцами, скажите ногаям, чтоб они, помня прежнюю присягу свою, шли б под нашу власть, а мы пожалуем вам нашим царским жалованьем смотря по вашей службе”.
Мурад IV, узнав о падении Азова, был взбешен. Направил в Москву посольство “с укоризною” и обвинениями в нарушении мира. Но турецких дипломатов ткнули носом в татарские набеги и развели руками: дескать, крымцы — ваши подданные, а казаки — люди вольные, царю не подчиняются. Так кто же мир нарушает? Султан разослал грозные письма в Бахчисарай, Керчь, Тамань, Темрюк, кляня местных правителей за то, что не помогли Азову и требуя направить рати, чтобы вернуть его. Впрочем, хан отреагировал своеобразно и бросил татар не на Дон, а на Русь. Под Азовом даже в случае удачи крымцам добычи не светило, только потери. А в царских владениях можно было полон набрать. Но выдвинутые к границам русские войска встретили татар и крепко побили, так что многие охотники за “ясырем” сами очутились в плену.