Подготовка нового похода на Казань началась ранней весной 1552 г. В конце марта — апреле в Свияжск из Нижнего Новгорода отправили осадную артиллерию, боевые припасы и продовольствие. В апреле-мае для участия в походе, в Москве и других городах собрали войско численностью 150 тысяч человек). К маю 1552 г. полки сосредоточились в Муроме (Ертоульный полк), Кашире (Правой руки полк), Коломне (Большой полк, Левой руки полк, Передовой полк). Часть собранных в Кашире, Коломне и ее окрестностях ратей, выдвинувшись к Туле, отразили нападение на русские «украины» крымских татар хана Девлет-Гирея, старавшегося сорвать завоевательные замыслы московского командования. Перекопскому «царю» только на 4 дня удалось отсрочить выступление русской армии на Казань.
Поход начался 3 июля 1552 г. Войска двигались двумя колоннами. Сторожевой полк, Левой руки полк и Государев полк во главе с царем шли через Владимир, Муром на реку Суру, к устью реки Алатырь, где тогда же был заложен одноименный город. Большой полк, Правой руки полк и Передовой полк, которыми командовал князь Михаил Иванович Воротынский двигались к Алатырю через Рязань и Мещеру. Соединение двух ратей произошло у Борончеева Городища за рекой Сурой. Проходя в среднем по 25 км. в день, 13 августа русское войско достигло Свияжска, а 16 августа начало переправу через Волгу, занявшую 3 дня. 23 августа огромная армия подошла к столице Казанского ханства.
Противник успел хорошо подготовиться к новой войне и будущей осаде и укрепил расположенный на господствовавших над окружающей местностью возвышенностях город. Казанский кремль был обнесен двойной дубовой стеной, заполненной щебнем и глинистым илом, с 14 каменными башнями-«стрельницами», находившиеся одна от другой на расстоянии не превышавшем двойного полета стрелы (ок. 500 м.). Подступы к городу прикрывали русла рек Казанки — с севера и Булака — с запада. С других сторон, особенно со стороны Арского поля, наиболее удобной для организации осадных работ, Казань окружал большой ров, достигавший 3 саженей (6,5 м.) в ширину и 7 саженей (15 м.) в глубину. Наиболее уязвимым местом крепости были 11 ворот, хотя они были прикрыты башнями и дополнительными укреплениями из тарас. На городских стенах, для защиты воинов от обстрела со стороны противника, были устроены парапеты высотой в 140 см., над которыми была возведена деревянная кровля. Помимо внешних укреплений Казани в самом городе была устроена внутренняя цитадель, которая находилась в северо-западной части города, на естественной возвышенности. Там стояли «палаты царские и мечети, зело высокие мурованные». От остального города дворец был отделен глубокими оврагами и внутрикрепостной каменной стеной.
На этот раз татары не ограничились укреплением своего главного города. В 15 верстах к северо-востоку от Казани, на Высокой горе в верховьях реки Казанки, был сооружен острог, подступы к которому надежно прикрывали топкие болота и засеки. Острог служил оперативной базой 20-тысячной конной рати царевича Япанчи, Шунак-мурзы и арского (удмуртского) князя Евуша. Это войско готовилось совершать внезапные нападения на тылы и фланги русской армии, в случае начала осады Казани. Однако, достаточно продуманные меры борьбы с русскими, оказались на этот раз мало эффективными, прежде всего из-за неравенства сил. 150-тысячной армии московского царя противостояло 60-тысячное татарское войско, разделенное на два отряда: 20-тысячный отряд Япанчи и 40-тысячный казанский гарнизон, в состав которого вошло не только все мужское население Казани, но и 5 тысяч мобилизованных восточных купцов. Успеху предприятия способствовало использование русским командованием новейшего для того времени средства разрушения оборонительных сооружений — устройства подземных минных галерей. Опасности таких методов борьбы совсем не знали казанцы.
Сражение за Казань началось, как только русские войска приблизились к городу. Начали его татары, атаковав шедший впереди армии Ертоульный полк. Момент для нападения был выбран очень удачно. Ертоул только что переправился через реку Булак и поднимался по крутому склону Арского поля, а другие русские полки находились на другом берегу и не могли оказать немедленной помощи своему авангарду.
Вышедшие из крепости татарские отряды с двух сторон (от Ногайских и Царевых ворот) ударили по русскому полку. Казанское войско насчитывало 10 тыс. пеших и 5 тыс. конных воинов. Нападающие действовали быстро и решительно и едва не добились победы. Положение спасли находившиеся при Ертоуле казаки и стрельцы. Растянувшись в линию с левой стороны двигавшегося к Казани полка, они открыли по противнику огонь из своих длинных пищалей. Татарские отряды смешались, тем временем к месту боя подоспели новые стрелецкие приказы, также начавшие обстреливать находившуюся в первых рядах казанского войска конницу. Не выдержав меткого огня русских стрелков, конные татары обратились в бегство, смяв оказавшиеся у них на пути отряды пеших воинов. Первое столкновение закончилось победой русского оружия. Вслед за Ертоулом на Арское поле вступили и другие полки.
Начав осаду Казани, русские окружили крепость траншеями и окопами («закопами») и турами[18], а в некоторых местах и тыном. 27 августа «повеле государь … наряд большей прикатити к турам … и начали безъпрестани по граду бити стенобитным боем и верхными пушками (мортирами — В. В.) огненными побиваху многих людей; такоже и стрелцы пред турами в закопех не даваше на стенах людем быти и из ворот вылазити, многих побиваша». В числе орудий, из которых велся артиллерийский обстрел города были и «великие» пушки, по обычаю того времени имевшие собственные имена: «Кольцо», «Ушатая», «Змей сверстой», «Змей летучий», «Соловей».
Первоначально действия русских войск под Казанью серьезно осложнялись нападениями отрядов царевича Япанчи, совершавшимися по особому сигналу — поднятому на одной из башен Казани «хоругви большой басурманской». Увидев поднятое знамя, татары атаковали русские полки «со всех стран с лесов, зело грозно и прытко». Первый такой налет произошел 28 августа, когда погиб один из русских воевод Третьяк Иванович Лошаков. На следующий день нападение Япанчи повторилось и сопровождалось вылазкой части войск казанского гарнизона.
Ущерб, наносимый ударами Япанчи, был слишком серьезен, чтобы пренебречь ответными действиями против его отрядов. Русское командование собралось на военный совет: «царь же наш со всеми сигклиты и стратилаты вниде в совет». На нем воеводы решили направить против татар войско князя Александра Борисовича Горбатого и Петра Семеновича Серебряного, включающее 30 тыс. конных и 15 тыс. пеших воинов.
30 августа воеводы А.Б. Горбатый и П.С. Серебряный сумели притворным отступлением выманить неприятельскую конницу из лесного укрытия на Арское поле и окружили отряды «злых татар». Бегущих врагов преследовали до реки Киндери, находящейся в 10 км. от соврем. Казани. После боя, по словам Андрея Михайловича Курбского на полторы мили «трупия басурманского множество лежаще». В плен попало по разным сведениям от 140 до 1000 воинов Япанчи, в основном «черемисов и чювашей». Все они были казнены перед стенами Казани. Только части татарского войска, атаковавшего русские полки на Арском поле, удалось вырваться из окружения и уйти в свой острог.
6 сентября рать А.Б. Горбатого и П.С. Серебряного выступила в поход к Каме, получив приказ «жечь казанские земли и деревни их разорять до основания». Воеводы с боем взяли острог на Высокой горе и уничтожили большую часть его защитников. Летописный рассказ об этом сражении отмечает, что при штурме татарских укреплений спешились не только дети боярские, но и «головы же царева полку и сами с коней соидоша». В плен попало всего 200 татарских воинов, которых, по-видимому, ожидала участь чувашей и марийцев, захваченных в бою на Арском поле. После уничтожения главной базы противника войско князя А.Б. Горбатого прошло, сжигая татарские селения, более 150 верст. Дойдя до реки Камы, оно с победой вернулось к Казани. За 10 дней похода воеводы овладели 30 острогами, захватив, по одним сведениям 2, по другим — 5 тыс. пленных и множество скота, пригнанного в русский лагерь.