Через два месяца после последнего конфликта с казанскими татарами Иоанн с войском выступил из Москвы. С ним был и Шиг-Алей, которому было дозволено жениться на Сююнбек. 16 июня 1552 г. государь простился с супругой. Анастасия плакала, провожая мужа, она была беременна. Иоанн утешал ее. Его брат Юрий Васильевич остался главой Москвы.

По пути в Казань царю сообщили о нашествии крымских татар. Иоанн не показывал ни малейшего волнения. Он выбрал удобное место для битвы и стал ждать неприятеля. Крымские татары подошли к Туле, осадили город.

Иоанн с войском поспешил на помощь. На битву шли, как на потеху. Татары не смогли взять Тулу и отступили. Под стенами Тулы 15 тысяч русских воинов разбили 30-тысячное войско татар.

19 августа Иоанн со 150 тысячами воинов был у Казани. Татары отвергли мир. Город защищали 30 тысяч воинов-казанцев и 27 тысяч ногайцев. 23 августа на рассвете Иоанн произнес перед воинами речь и войско двинулось к городу. Несколько дней войска бились на подступах к нему. 29 августа Казань была окружена, но около города еще действовали отряды татар.

Русские решили делать подкоп под стены города, несколько дней шли подземные работы, наконец, в подкопе услышали татарскую речь. В подкоп вкатили 11 бочек пороху, государь дал приказ взрывать. Произошел сильный взрыв. Через разлом в стене русские ворвались в город, но казанцы опомнились и оттеснили их.

Иоанн, проявляя активную деятельность, приказал построить высокую башню и обстрелять с нее город. Уже прошло пять недель, как россияне стояли у Казани. В вылазках было убито не менее 10 тысяч татар. Однако Казань не сдавалась. Сделали еще один подкоп у Арских ворот и произвели взрыв. Русские с ожесточением пошли на штурм города, и главный воевода князь Михайло Воротынский все-таки сумел занять Арскую башню, но развить успех так и не удалось. 1 октября Иоанн объявил войску, чтобы оно было готово «пить общую чашу крови», то есть было готово к решительному приступу Казани, так как все необходимые подготовительные работы были завершены. Казанцам сделали последнее предложение о мире, но получили отказ. Тогда русские отрезали все пути к отступлению татар, взорвали 48 бочек пороха под стенами города и начался штурм. С трудом наступающие преодолели укрепленные стены, и бой закипел на улицах города. Многие русские бросились грабить лавки, но Иоанн пресек грабеж и, встав у Царских ворот, удерживал малодушных воинов, бегущих из города.

2 октября Казань была взята, в разных местах города бушевали пожары. Пять тысяч казанцев пробились сквозь русские ряды и ушли в лес. Отряды Иоанна нагнали их, никто не сдался в плен, но и спаслись немногие. Наконец битва прекратилась и в городе. Главный воевода Михайло Воротынский водрузил на Царских воротах христианский крест. Иоанну представили хана Едигер-Магмета, которого он одного и помиловал, всех остальных горожан пленили. Иоанн произнес перед войском речь, исполненную любви и милости. После битвы под Казанью был дан пир.

В Казани погребли мертвых и очистили город. На другой день Иоанн торжественно вступил в Казань. Выбрав место, заложили кафедральную церковь Благовещения. Затем последовал приказ русского царя о восстановлении Казани. Население марийских и южноуральских земель приняло русское подданство.

Так пало к ногам Иоанна одно из знаменитых ханств, основанных татарами. Возникнув на развалинах Волжско-Камской Булгарии и поглотив ее остатки, Казань унаследовала и воинский дух монголов, и торговую предприимчивость булгар. Около 115 лет продолжалась вражда Москвы и Казани, и наконец завершилась победой русских войск.

Некоторые приближенные предлагали Иоанну остаться в Казани до весны и покорить все народы, живущие в этих краях, — мордву, чувашей, вотяков, черемисов и башкир. Иоанну же не терпелось со славой вернуться в Москву. 12 октября царь начал обратный путь. В этот день Иоанну Васильевичу сообщили о рождении сына Дмитрия. Вестнику были отданы конь и царская одежда. Иоанн имел уже двух дочерей — Анну и Марию, первая их которых скончалась в возрасте 11 месяцев.

Когда Иоанн подъехал к Москве, его сплошной стеной встречал народ. Царь обратился к народу с речью. Теплой и искренней была встреча с Анастасией. Вся Россия пребывала в радости. 8 ноября Иоанн дал торжественный обед в Большой Грановитой палате. Царь был весел и щедр.

В ознаменование присоединения Казани Иоанн заложил великолепный храм Покрова Богоматери у Спасских ворот. Это замечательное произведение так называемой шатровой архитектуры до сих пор радует взор каждого россиянина и вызывает гордость за талант его создателей.

Для укрепления юго-восточных границ России строились новые крепости. Настоящим устрашением для недругов России и ее щитом явились донские казаки. Они располагались между Азовским и Каспийским морями. Костяком этого воинского образования были люди, говорившие на русском языке и исповедовавшие православие. Казаки были неутомимыми в ратном деле, великолепными наездниками, всегда бесстрашными в бою, иногда упрямыми и своевольными. Казачество пополнялось, в основном, за счет российского беглого народа. По некоторым источникам, казаки назывались прежде азовскими казаками. Эти вольные люди никогда не были зависимы от турецкого султана и признавали над собой верховную власть только России.

В 1553 г. Иоанн внезапно заболел горячкой. 11 марта 1553 г. дьяк Михаил предложил больному царю совершить духовную. Царь написал завещание, объявив сына Дмитрия своим преемником. Надлежало присягнуть ему, но многие этого делать не хотели, в том числе двоюродный брат царя Владимир Андреевич. Иоанна IV уже оплакивали. Никто не обращал внимания на него. Все забыли священный долг — кричали, спорили над самым одром безгласно лежащего больного. Приближенные царя хотели возложить венец на его брата Юрия, ибо этот несчастный князь был обижен природой — он не имел ни рассудка, ни памяти, в то время как Владимир Андреевич (тоже претендент на царский трон) был одарен умом, был деятельным и любознательным.

Но все же многие бояре присягнули сыну царя Дмитрию. Иоанн пригласил князя Владимира к себе, но тот отказался от присяги. Он со своей матерью Ефросиньей собирал народ и настраивал его против Дмитрия. На следующий день Иоанн вторично созвал бояр и приказал им присягнуть своему сыну. Под большим давлением Владимир Андреевич все-таки пошел на этот шаг. Но доверие Иоанна к родным и приближенным было поколеблено.

Поборов болезнь, Иоанн выздоровел. Он, казалось, не помнил зла; посетил Алексея Адашева, Владимира Андреевича, но в сердце Иоанн затаил обиду.

В июне 1553 г. при путешествии в Кириллов монастырь юный Дмитрий умер, а через 9 месяцев у Иоанна Васильевича родился другой сын —  Иоанн. Царь написал новое завещание, в котором князь Владимир Андреевич обязывался признать сына царя Иоанна Иоанновича наследником престола.

В 1553 г. князь Симеон Ростовский, проявивший себя противником политики Иоанна по время его болезни, бежал в Литву. В Торопце его поймали и допросили, он признал себе виновным. Симеона заточили в Белоозеро.

В 1553 г. в Казанской земле начались мятежи, зачинщиков казнили. Удмурты и марийцы не хотели платить дань, взбунтовались, их усмирили.

В 1553 - 1557 гг. Иоанн занялся усмирением завоеванного Казанского ханства. На Каму был послан Данила Адашев, брат Алексея, в Казань — князья Симеон Микулинский, Иоанн Шереметев и Андрей Курбский. Народ успокоили. Воеводы и сановники от царя получили в награду золотые медали. Арская (южноудмуртская) земля несколько раз присягала России и снова изменяла. Дольше всех упорствовали народы, проживавшие в равнинной местности. Почти пять лет россияне усмиряли бывшее Казанское ханство. С этого времени Казань окончательно вошла в состав России, и в своих титулах русские монархи непременно упоминали о Казанском ханстве.

Падение Казани привело в ужас крымских ханов. Девлет-Гирей хотел напасть на Россию, но боялся ее силы. Иоанн, в свою очередь, возможно, пошел бы войной на Крым, но опасался турецкого султана. В 1555 г. крымские татары все-таки напали на Россию. Но их 60-тысячному войску пришлось отступить от Тулы под угрозой окружения русскими войсками. Девлет-Гирей, оставив 60 тысяч коней, 200 аргамаков, 180 верблюдов, бежал в Крым. Иоанн с войском возвратился в Москву.