Главные силы русского войска выступили из Москвы 16 июня 1552 г. Однако неожиданное известие о нападении крымского хана заставило царя Ивана IV остановить движение на Казань. Из Путивля прискакал «станичник Ивашка Стрелник» и передал, что «идут многие люди крымские к украине государевой и уже Донец Северский перелезли». Иван IV повернул свое войско к Коломне. Русские полки встали вдоль берега Оки, на древнем рубеже, где не раз они встречали татарские вторжения. Между тем разведчики доносили, что крымцы уже «украины проходят» и «пришли на тульские места, к городу к Туле». Немедленно из Каширы, Ростиславля и Колычева двинулись на помощь осажденной Туле русские полки.

Русские военачальники непрерывно получали известия о действиях крымского хана. Тульский воевода доносил, что к городу подошел сам крымский хан и «приступает к Туле, и иные многие люди воюют, и наряд с ними многий, и многие янычары турецкие». Осадивший Тулу враг «из пушек бил по городу и огненными ядрами и стрелами стрелял на город, и во многих местах в городе дворы загорелись». Однако приступы крымцев были отбиты.

Между тем к Туле уже приближались на помощь русские полки. В городе об этом уже знали. Осажденные предприняли смелую вылазку, в которой приняли участие не только ратные люди, но и вооруженные горожане. По словам летописца, «вышли из города не только воеводы и воины, но все мужчины и женщины и дети, и многих татар под городом убили, и ханского шурина убили князя Камбирдея, и наряд пушечный, ядра и стрелы и порох взяли». Крымский хан Девлет-Гирей «побежал от города с великим срамом». Русская конница преследовала отступавших крымцев и на реке Шиворна нагнала их. В бою крымцев «столько избили, что очень мало осталось». Был возвращен и полон, захваченный татарами во время этого набега. Так в результате героической обороны Тулы и своевременного прибытия русских полков угроза нападения с юга была ликвидирована. Крымскому хану не удалось сорвать русский поход на Казань.

В начале июня все русское войско собралось в Коломне и оттуда двумя дорогами: через Рязань — Мещеру и Владимир — Муром — выступило в поход. В начале августа все рати соединились «на полях» у реки Суры, откуда вскоре пошли к Свияжску. Утром 13 августа царь Иван IV с войском вступил в Свияжск, где его уже ожидали ранее высланные судовой ратью воеводы, «дети боярские и стрельцы», а также ополчение, набранное из черемисов, чувашей, мордвы. Народы Поволжья, жестоко угнетаемые казанскими феодалами, вместе с русскими выступили против своих поработителей.

После непродолжительного отдыха все полки и наряд двинулись к Казани. Еще до начала осады царь Иван IV предложил казанскому хану Едигеру сдаться, но получил дерзкий отказ. Хан надеялся на помощь крымского хана, на многочисленные конные отряды, оставленные им за пределами города, а главное — на многочисленный гарнизон и мощные укрепления Казани.

Казань действительно была очень сильной крепостью. Расположенный на крутом холме в 6 км от Волги, город с северной стороны был прикрыт болотистой речкой Казанкой, а с юга — рекой Булаком и озером Кабан. Возводить осадные сооружения здесь было очень трудно. Казань со всех сторон опоясывала высокая деревянная стена с 15 башнями, ров перед ней достигал 15 м глубины. По сообщению татарина-перебежчика, в городе находилось 30 тыс. казанского войска и 3 тыс. ногаев. Кроме того, вооружилось все городское население. К востоку от города, в Арском лесу, примерно в 15 км от городских стен, стояло большое конное войско князя Япанчи, готовое в любой момент прийти на помощь осажденным. В войске Япанчи тоже было примерно 25–30 тыс. всадников.

23 августа после ожесточенной схватки с 15-тысячным отрядом татар, устроивших вылазку из города, русские полки со всех сторон обложили Казань. Передовой полк и большой полк встали на Арском поле вдоль восточной стены города, полк правой руки — с северной стороны, за рекой Казанкой. Вдоль западной и юго-западной стен Казани протянулись позиции сторожевого полка и полка левой руки. Царь Иван IV со своим царским полком остановился поодаль от города, позади полка левой руки. Осада Казани началась.

После тщательной разведки городских укреплений русские полки начали осадные работы. Для защиты от татарских ядер и стрел ставили туры, наполненные землей. Линия туров постепенно приближалась к городским стенам. Русские воеводы прежде всего постарались «отнять воду» у осажденных. Река Казанка была перегорожена плотиной и отведена от города. Тысячи ратников и «даточных людей» строили позиции для установки тяжелых пушек, рыли окопы, огораживали русский лагерь полисадами. Казанцы неоднократно предпринимали вылазки. Около городских стен происходили жестокие бои. «Казанцы вылезли, многие люди конные и пешие, — повествовал летописец, — и бились крепко многое время, и из пушек по городу и по воротам беспрестанно били, и стрельцы из пищалей, также и из города из пушек и пищалей стреляли, и была сеча великая и преужасная от пушечного боя и от пищального грома и от воплей не слышно было голосов, были как гром великий и молнии от множества огня пушечного и пищального стреляния и дыма. Множество побили татар и в город вбили их, и рвы городские наполнились мертвыми». И так день за днем, все время осады!

27 августа на укреплениях начали устанавливать тяжелые осадные орудия: «Повелел государь наряд большой прикатить к турам». Перед батареями расположились стрельцы и лучники: «И стали головы стрелецкие с боярскими людьми и казаки по рву города и стреляли из пищалей и из луков». Особенно сильные укрепления были построены против Царевых. Арских. Аталыковых и Тюменских ворот, через которые казанцы устраивали вылазки.

Затем начался обстрел города из тяжелых пушек. Русские пушкари «начали беспрестанно по городу бить стенобитным боем и верхними пушками огневыми, побивая многих людей из пушек. Также и стрельцы не давали на стенах людям быть и из ворот выходить, многих побивали». В затяжном «огненном бою» русское войско показало свое полное превосходство — вскоре со стен города было сбито большинство татарских пушек.

Чтобы поражать ядрами цели внутри города, на Арском поле русские мастера построили высокую деревянную башню, установили на ней 60 пушек разного калибра и подкатили к стенам между Арскими и Царевыми воротами. Кроме пушкарей, в башне находился отряд стрельцов с дальнобойными пищалями. Обстреливая, «как с неба», внутреннюю часть города, гарнизон башни наносил большой урон обороняющимся.

Отдельные участки стены были пробиты ядрами, однако казанцы быстро заделывали проломы бревнами и каменными глыбами. Русские «розмыслы» начали «минную войну». К стенам Казани были сделаны глубокие подкопы, в которые закладывались сильные пороховые заряды. Одним из первых подкопов был взорван тайник, по которому осажденные ходили за водой. Другие подкопы вели к Арским и Ногайским воротам. Приближался час решительного штурма.

На русский лагерь нападали татарские отряды, находившиеся вне города. Особенно опасными были нападения многотысячного конного отряда Япанчи из Арского леса в тыл большому полку и передовому полку. Чтобы предупредить эти неожиданные атаки, русским военачальникам пришлось выделить значительную часть войска во главе с князьями Горбатым-Шуйским и Серебряным. После нескольких схваток на Арском поле Япанча отступил в лес, где у него был хорошо укрепленный острог. По словам летописца, этот острог «был рублен городнями, и землей насыпан, и многими засеками закрыт, а сделан промеж непроходимых болот». Но ни болота, ни засеки, ни лесные чащобы не остановили русских воинов. 8 сентября они осадили Арский городок князя Япанчи, «начали приступать к острогу, стрельцы же из множества пищалей стреляли». Спешенные поместные конники, стрельцы и казаки отважно полезли на укрепления и «взяли острог, и татар многие множества побили, и живых 200 человек взяли». Япанча с остатками своего воинства бежал, и, преследуя его, русские полки «повоевали Арскую сторону всю». Опасность удара с тыла была ликвидирована. Теперь можно было сосредоточить все силы для штурма города.