Когда государь приблизился к Свияжску, навстречу ему вышли с прибывшими наперед, Волгою, отрядами воеводы князь Александр Горбатый, Семен Микулинский, Петр Серебряный, Данило Романович Юрьев, Федор Адашев и др. Кроме русского войска тут было и ополчение, вновь избранное из черемис, чуваш и мордвы, 13-го августа Иоанн вступил в город, молился в храме Рождества Богородицы, а затем расположился станом на лугу под Свияжском. Воины праздновали окончание своего долгого и утомительного похода и наслаждались изобилием съестных припасов, которые были привезены Волгою на судах вместе с пушками и военными снарядами. В Свияжск приехало и много купцов с товарами, так что всего можно было достать.
Прежде нежели приступить к осаде Казани, царь пытается увещаниями склонить ее к покорности. Для этого Шиг-Алей посылает от себя грамоту к Едигеру-Махмету, происходившему с ним из одного рода (Кучук-Магометова), а Иоанн отправляет грамоты к куль-шериф-молле и ко всем казанцам, требуя от них, чтобы исправили свои вины и били бы ему челом. Эти грамоты казанцы оставили без ответа, а Едигер отвечал потом хану Шиг-Алею бранным посланием с хулою на Русского царя и называл хана предателем за то, что, будучи мусульманином, служит христианам.
16 августа русские войска начали постепенно переправляться на луговую сторону Волги и выгружать из судов пушки и всякие военные запасы, а спустя неделю они уже обступили Казань. Около того времени один из казанских вельмож, именно Камай-мурза, тайком ушел из города со своими близкими и передался Иоанну. Этот человек оказался очень полезен русским своею опытностью и своими сведениями. От него царь, между прочим, узнал, что казанцы собрали большие запасы продовольствия и приготовились к отчаянной защите, что во главе самых упорных противников Москвы, кроме Едигера, стоят кул-шериф-молла и кадий, Зейнеш ногайский, князья (беки) и мурзы Чапкунь, Ислам, Аликей, Кебек, Дербыш, Япанча и пр. Всего войска для своей обороны казанцы собрали от 50 до 60 тысяч. В том числе находилось около 2500 всадников, присланных на помощь из Ногайской орды, и несколько вспомогательных отрядов, набранных между Луговыми черемисами и другими народами Казанского царства. Кроме того, почти все казанские граждане и духовные лица также взялись за оружие. Едигер довольно умно распорядился своими силами. Отборную половину войска он оставил в городе для обороны стен, а другую половину и преимущественно конницу скрытно расположил на некотором расстоянии от города, в лесных засеках для того, чтобы действовать в тыл осажденных; эта внешняя часть войска находилась под начальством храброго наездника Япанчи.
Город Казань расположен на левой, луговой стороне Волги; он отделен от этой реки низменной полосой, имеющей верст шесть или семь в ширину, и возвышается на холмистом берегу речки Казанки, впадающей в Волгу, в углу, который заключается между этим берегом и Була-ком; последним именем называется тенистый проток, идущий из озера Кабана в Казанку. Крутые берега Казанки и Булака, с трех сторон огибающие город, представляли естественную его защиту, а с четвертой стороны там, где простиралось так называемое Арское поле, проведен был глубокий ров с валом. Стены города сделаны из широких дубовых срубов, набитых землею, и местами вооружены пушками и пищалями. Самую вершину угла, образуемого Казанкою и Булаком, занимал особо огражденный царский двор с несколькими высокими каменными мечетями, в которых находились ханские гробницы. Тут же на Казанку выходили двое городских ворот, а именно: Муралеевы и Элбугины, а на Булак — Тюменские; со стороны Арского поля шли ворота: Арские, Царевы, Ногайские, Крымские и Аталыковы.
Русские полки окружили Казань в таком порядке. Со стороны Волги на так называемом Царевом лугу расположились станом сам Иоанн и его двоюродный брат Владимир Андреевич с царским отборным полком, состоявшим преимущественно из детей боярских, которые представляли лучшую и наиболее исправно вооруженную конницу. Впереди его по Булаку, т. е. ближе к городу, стала левая рука, на устье Булака сторожевой полк, а за Казан-кой против помянутой верхней части города расположилась правая рука. В противоположной ей стороне, т. е. на Арском поле, от Булака стал большой полк; за ним далее к реке Казанке — передовой; а на берегу Казанки связью между этим полком и правой рукой служил легкий военный отряд, или яртоул. Первое столкновение произошло в то время, когда русские двинулись занимать свои места на Арском поле. Навели мосты через тенистый Булак; по ним первый пошел передовой яртоульный отряд, заключавший тысяч семь конницы и пеших стрельцов под начальством князей Пронского и Львова. Доселе город казался пустым; никого не было ни видно, ни слышно: так притаились его защитники. Но в ту минуту, когда русский отряд, перейдя Булак, стал подниматься на высокий холм, лежавший между городом и озером Кабаном, отворились городские ворота (вероятно, Аталыковы) и толпа конных и пеших татар бросилась на наш отряд. Сей последний вначале было замешался от неожиданного удара, но меж тем успела перейти Булак остальная часть яртоула, которым начальствовали князья Шемякин и Троекуров; по приказу государя (а без этого приказа было запрещено вступать в битву) они подкрепили сражавшихся детьми боярскими и стрельцами, и неприятель с большим уроном был отброшен в город. После того полки постепенно заняли назначенные им места.
Осада началась по всем правилам русского осадного искусства того времени. Главным правилом этого искусства было тесное обложение города, так чтобы никто не мог ни войти, ни выйти из него. Для сего осаждающие копали кругом ров и вал; на удобных возвышенных пунктах, особенно против городских ворот, ставили пушки, закрытые турами, т. е. большими плетенками из хвороста, наполненными землею, а места низменные забирали тыном, или частоколом. Поэтому царь заранее распорядился, чтобы всякий человек в его войсках приготовил по бревну для тына, а всякий десяток сделал по одному туру. Артиллерия наша, или наряд, состояла из больших осадных пушек (дел) и из пищалей. Осадные пушки были, собственно, мортиры, бросавшие в крепость большие каменные ядра и потому называвшиеся «верховыми»; были и меньшего размера, но очень длинные, которые стреляли калеными ядрами и зажигали дома, почему именовались «огненными». Под словом «пищаль» разумелась, собственно, малая пушка, или большое крепостное ружье, стоявшее на стенке, длиною достигавшее сажени и более. Такая пищаль называлась «затинная»; она стреляла железными ядрами. Самые легкие пищали носились на ремне за плечами и назывались «рушницами», потом «ружьями»; из них стреляли с сошек; ими вооружены были стрельцы. Число осадных пушек и больших пищалей, выставленных против Казани, простиралось до 150. Затем Иоанн имел у себя немецких инженеров, прозванных у нас «размыслами», которые могли делать подкопы под крепость и взрывать стены. Все число осадного русского войска с вспомогательными отрядами инородцев, по летописям, простиралось до полутораста тысяч.
За первою помянутою вылазкой казанцев последовал целый ряд других, так что устройство туров вокруг города и вооружение их пушками сопровождалось частыми битвами; обыкновенно пока одна часть рати трудилась над этим делом, другая часть в то время отбивала нападение татар, старавшихся мешать осадным работам. Но мало-помалу работы были окончены; почти против каждых городских ворот со стороны осаждавших воздвигнуты были орудия, закрытые турами и защищенные стрельцами и казаками, которые впереди их вырыли для себя ровики, или шанцы. Около городских стен на устье Булака стояла каменная баня, называвшаяся Даирова; ее захватили русские казаки и сделали из нее род форта для действия против осажденных. Когда осадные работы были окончены, русские орудий начали усердно обстреливать город, и хотя по своему тогдашнему несовершенству сравнительно мало причиняли вреда неприятелю, однако держали его в страхе и производили пожары. Осажденные отвечали из своих пушек и пищалей, а также из луков, но еще с меньшим успехом. Зато в это время обнаружилась для них вся польза от войска, оставленного вне города и расположенного в лесных засеках. Русские полки, оградив себя турами, частоколами и рвами со стороны крепости, имели открытый тыл, и вот начались частые нападения на них с тыла из соседних лесов: из Арского леса нападала конница Япанчи, а из лесов на правой стороне реки Казанки приходила Луговая черемиса. Эти нападения извне обыкновенно сопровождались вылазками изнутри города. Для сего, по свидетельству современника (князя Курбского), между внутренними и внешними защитниками был условлен известный знак. А именно: осажденные выносили большое мусульманское знамя на башню или на какой-нибудь другой возвышенный пункт и начинали им махать; тогда скрытые в лесах татары устремлялись на русские осадные линии извне, и в то же время из городских ворот производилась вылазка осажденных. Однажды во время подобного нападения Япанчи казанцы сделали из города такую дружную и внезапную вылазку, что едва не завладели большим русским нарядом, и только после кровопролитной сечи были отбиты. Около трех недель продолжались эти внешние нападения, которые держали русские войска в постоянной тревоге и тем до крайности их утомляли; конники наши не смели отдаляться далеко от лагерей, а потому не могли добывать достаточно травы для корма коней. Наконец, Иоанн созвал воевод на совет, что предпринять. На этом совете придумали следующую умную меру: русское войско также разделить на две части; одну часть, большую, оставить для продолжения осады, а другую, меньшую, выставить против Япанчи. Вторую часть составили из 30 тысяч конницы и 15 тысяч пеших стрельцов и казаков. Общее начальство над нею царь вверил доблестному князю Александру Горбатому-Шуйскому, и он не замедлил оправдать это назначение полным успехом.