Таким образом, Разин ликвидировал опасность в своем тылу и был готов двинуться дальше. Ему навстречу из Астрахани вышел новый большой отряд из 5000 человек, во главе с воеводой Семеном Ивановичем Львовым. Встреча двух армий состоялась недалеко от Черного Яра. Несмотря на все усилия Львова, его стрельцы и солдаты не стали вступать в бой с разинцами. Изменив своему долгу, они перешли на сторону врага. После этого началась вакханалия убийств полковых командиров. Несмотря на то, что Львов остался жив, большинство офицеров, а в основном это были иностранцы, были буквально изрублены на куски. Тем не менее побоище было быстро пресечено Разиным. В результате около 80 офицеров попали в плен, но сохранили свои жизни. Их дальнейшую судьбу решил войсковой круг.
Летом 1670 года обстановка в Астрахани начала обостряться. Разинцы обошли город и, двинувшись вверх по Волге, разорили Царицын и Черный Яр. Считалось, что Астрахань неприступна, поскольку ее оборонял многочисленный гарнизон во главе с опытным воеводой князем Прозоровским. Однако это было заблуждение. 19 июня 1670 года десятитысячный отряд разинцев на 300 больших и малых стругах появился у Астрахани. В те времена это была мощная крепость. К кремлю примыкал обнесенный крепостной стеной Белый город. Высота стен доходила до 8,5 м, толщина до 3 м. Вокруг города был возведен земляной вал с деревянным частоколом. У его подножия шел ров. Гарнизон состоял из астраханских и московских стрельцов, солдат, присланных сюда из центральных районов страны для усиления, и служилых татар. К лету 1670 года в крепости находилось до 500 орудий разного калибра, а численность гарнизона составляла 12 тыс. человек.
22 июня к городу прибыли два струга с парламентерами, которые предложили воеводе Прозоровскому сдать город. Воевода не стал слушать парламентеров, приказав казнить одного из них — бывшего слугу князя Львова, на виду у повстанцев. Это вызвало сильное возмущение среди казаков. Через два дня разинцы пошли на штурм города. Казаки и примкнувшие к ним после захвата Черного Яра стрельцы устремились на штурм Вознесенских ворот. Одновременно с другой, наименее защищенной стороны крепости в город проник другой отряд повстанцев. В этом им помогли предатели из числа местного гарнизона. Большим подспорьем разрозненным отрядам повстанцев оказалось предательство значительной части гарнизона, отказавшегося сражаться в самый критическим момент штурма города. Ситуацию осложнили и начавшиеся волнения внутри города. Словно по команде, горожане стали набрасываться на стрельцов и солдат, помогая отрядам Разина за стенами. Это окончательно расстроило всю систему обороны Астрахани. Офицеры пытались навести хоть какой-то порядок, однако многие из них были убиты своими подчиненными.
Пока Прозоровский с лучшими частями защищал Вознесенские ворота, казаки уже хозяйничали в противоположной части города. В общей свалке был убит брат воеводы, а он сам получил ранение в живот. Его немедленно отнесли в ближайшую церковь, где укрылись также и часть русских и иностранных офицеров. Особо упорное сопротивление оказали проживавшие в городе иностранцы — персы и немцы. Персы укрепились в одной из башен и храбро защищались, перестреляв несколько сотен казаков. Когда у них закончились пули, они стали заряжать ружья монетами. Но в конце концов у них кончился порох, и они вынуждены были сдаться. Разин милостиво сохранил им жизнь. Вероятнее всего, он рассчитывал получить за них хороший выкуп или удачно обменять при случае.
Судьба немцев была гораздо более печальной. Несколько немцев и двое русских под командованием князя Капсулата Муцаловича, всего 9 человек, укрепились в пыточной башне кремля. Храбрецы отстреливались от наседавших повстанцев половину дня, до тех пор, пока у них не закончились пули и порох. Только когда разинцы подтянули к башне артиллерию и стали обстреливать их с трех сторон, они смогли уничтожить этот очаг сопротивления. Все, кто был в башне, при этом погибли. Столь же мужественно отбивались голландские корабельщики, охранявшие городскую пристань. Они сдались лишь тогда, когда у них кончился порох, и тут же были изрублены на куски. Среди погибших оказались полковник Томас Бейли, подполковник Якоб Вендеров и многие другие офицеры.