Решительный штурм Казани был назначен на 2 октября. К этому времени подкопы под стенами были уже готовы. Русские воины припасли бревна и вязанки хвороста, чтобы завалить рвы перед стенами, построили длинные штурмовые лестницы. Еще до начала общего штурма отряд стрельцов сумел захватить Арскую башню и удерживал ее. Именно с этой стороны намечалось наносить главный удар, однако штурмовать город русские полки должны были со всех сторон, чтобы не дать татарам возможности перебрасывать свои силы на наиболее опасные участки. Всего было назначено 6 штурмовых колонн во главе с опытными воеводами. Часть конницы была оставлена для прикрытия основных дорог, ведущих к Казани: Арской, Ногайской и Галичской.

Сигналом для штурма были взрывы подкопов. На рассвете был взорван подкоп под стеной возле Арских ворот, в котором было заложено 48 бочек пороха. Городская стена в этом месте рухнула. Затем раздался взрыв под Ногайскими воротами. «Как сильный гром грянул, — писал летописец, — и земля дрогнула и затряслась. И страшна стала на вид земля, как тьма, на великую высоту взлетая и многие бревна и людей на высоту взметая. И сей внезапно второй подкоп городскую стену грознее первого сотворил, и множество горожан на высоту поднялись, одни разорванные пополам, и иные с оторванными руками и ногами, и с великой высоты бревна падали в город и множество людей побили». Открыли ураганный огонь по стенам и башням Казани и русские пушкари. Вперед вышли стрельцы и лучники, которые метко сбивали со стен татарских воинов, пока штурмовые колонны не достигли вала.

Казанцы отчаянно сопротивлялись, сбрасывали со стен на их головы тяжелые бревна и камни, обливали кипящей смолой. Однако сдержать натиск не смогли. Передовые отряды русского войска ворвались в город через пролом в стене возле Арских ворот. Начался жестокий уличный бой, в котором обе стороны несли тяжелые потери. Казанские военачальники бросали в битву новые и новые силы. Наступление русских воинов было задержано. В этот решительный момент царь Иван IV двинул на помощь ворвавшимся в город воинам половину своего отборного царского полка.

Спешенные воины царского полка отбили контратаки казанцев и погнали их к ханскому дворцу. Переваливая стены, в город вливались новые русские полки, везде тесня защитников Казани. Большой отряд татар (их оставалось более 6 тыс.) отступил в северную часть города, но и там не смог удержаться. Не задерживаясь у ханского дворца, татары «побежали все к Елбугиным воротам, и начали с града метаться и в ворота пробиваться, и многие к лесу на бегство устремились». Бежавших татар отделяла от леса река Казанка, вдоль которой стоял немногочисленный полк правой руки. Русские воины встретили татар пушечным огнем, но сдержать их отчаянную атаку не смогли. Уцелевшие татары прорвали кольцо осады и побежали к лесу. Но спастись успели немногие. Подоспела русская конница, и здесь «татар многих побили: от реки от Казанки и до леса и в лесу многие мертвые лежали, и немногие утекли, многими ранами ранены».

Сечей за рекой Казанкой закончился штурм города. Казань пала, почти все ее защитники погибли. Летописец с гордостью писал: «Наш царь и великий князь Иван Васильевич, самодержец всея Руси, одолел их до конца и царя казанского изымал, и знамена их взял, и царство и город многолюдный казанский взял…» Казанское царство прекратило свое существование.

Взятие Казани позволило перейти в наступление и на Астраханское ханство. В 1554 г. русское войско изгнало из Астрахани хана Ямгурчея, ставленника Крыма. Новый астраханский хан Дервиш-Али признал себя вассалом русского царя, но вскоре тоже начал переговоры с крымским ханом. Тогда в сентябре 1556 г. русское войско снова пошло на Астрахань. На этот раз астраханский хан, несмотря на присылку из Крыма войска с пушками, не принял боя и бежал в степи. Русское войско без боя заняло покинутый город. Воеводы доносили царю из Астрахани: «Пришли они в Астрахань, а город пуст, царь и люди выбежали, а воеводы в городе в Астрахани сели и город сделали крепок и, утвердив совсем, ходили за царем пять дней от Астрахани к морю, и нашли суда все астраханские, посекли и пожгли, а людей не нашли». Во время следующего похода в степи воеводы все же «нашли царя от берега верст за двадцать, и пришли ночью на царя, и побили в улусах у него многих людей». Последний астраханский хан Дервиш-Али, бежал в Азов. А русские воеводы «укрепились в городе» и «по Волге казаков и стрельцов расставили и отняли всю волю у ногаев и у астраханцев рыбные ловли и перевозы все».

Самостоятельность Астраханского ханства была ликвидирована.

После этого признала зависимость от Русского государства и Большая Ногайская Орда, причем ногайские мурзы обязались «служить царю», «у Астрахани кочевать», а если «велит им государь на Крым идти», то «так и учинят». Все Поволжье таким образом было присоединено к Русскому государству. Опасность проникновения сюда турецкого влияния была ослаблена. Это было большим успехом. Вскоре в состав Русского государства вошли и народы Приуралья. В 1557 г. власть московского царя признали башкиры, ранее зависимые от ногайских мурз. Россия набирала силы.

В 1558 г. Русское государство начало войну за выход к Балтийскому морю, которая вошла в историю под названием Ливонской войны. В начале войны русские войска добились больших успехов. Были взяты города Нарва и Дерпт (Тарту), передовые полки Ивана IV доходили до Ревеля (Таллина). Ливонский орден, в течение нескольких столетий угнетавший народы Прибалтики, распался под ударами русской армии. В 1563 г. русские полки взяли Полоцк, крупный город и сильную крепость. Обширные области на западных и северо-западных рубежах России, отторгнутые врагами после монголо-татарского нашествия на Русь, были возвращены. Однако затем ход войны изменился. На смену блестящим победам пришли тяжелые поражения. Война затянулась, русские полки с трудом сдерживали натиск врага.

Причины этого историки видели во вмешательстве соседних государств — Польши, Литвы и Швеции, пославших свои войска в Ливонию, в объединении Литвы и Польши, в полководческом искусстве нового Польско-Литовского короля Стефана Батория, в обострении внутренней обстановки в Русском государстве. Все это, конечно, оказало свое влияние на военные действия. Однако, говоря о причинах поражения России в Ливонской войне, нельзя забывать непрерывное давление на южные рубежи, Непрекращающиеся вторжения татарских ратей, отвлекавшие значительные военные силы Ивана IV от западной границы. Русскому государству пришлось вести войну на два фронта, и трудно сказать, где было опаснее — на берегах Балтийского моря или на бескрайнем степном рубеже. Более 24 лет длилась Ливонская война, и только в течение трех лет не было вторжений в пределы Русского государства татарских ратей. Не менее 12 раз за это время крымские ханы предпринимали большие походы на Русь, в которых принимали участие десятки тысяч конных воинов. Количество же мелких татарских наездов вообще не поддается учету — их было множество.

Первый крупный поход крымского хана на Россию фактически совпал с началом Ливонской войны. 17 января 1558 г. русские полки перешли границу Ливонии, а уже 21 января в Москве получили известия о том, что крымский хан Девлет-Гирей, «умысля злое христианству, послал сына своего Магмет-Гирея с князьями и мурзами крымскими и с ногаями» к русскому рубежу. По свидетельству летописца, татар было 100 тыс. Орда направлялась на Рязань, Каширу и Тулу, однако дошла только до реки Мечи: русские полки вышли навстречу врагу и отогнали орду. Такое совпадение не было случайным. Польский король Сигизмунд II заключил военный союз с Крымом и постоянно побуждал хана «неприязнь над неприятелем нашим и своим с божьею помощью доводить». В 1559 г., в разгар военных действий в Ливонии, царю Ивану IV пришлось выдвинуть пять полков для охраны южной границы; с войском на юг ушел Д. Адашев и князь Д. Вишневецкий. Но даже эти меры не обеспечили безопасности пограничных областей. Трехтысячный татарский отряд «безвестно» пришел под Тулу и «воевал в Ростовской волости», а другой отряд приходил под Пронск, но был разбит воеводой Бутурлиным. Еще один татарский отряд пытался прорваться к Казани. В 1560 г. снова были высланы большие русские силы для охраны южной границы, причем три полка стояли на Быстрой Сосне, а остальные у Тулы. Крымский мирза Дивей с 3 тыс. конных воинов нападал на Рыльские места, а другая большая татарская рать (до 20 тыс. воинов) кочевала поблизости от рубежей. Интересно отметить, что, несмотря на это, Сигизмунд II упрекал крымского хана за бездействие, — оказывается, тот обещал послать на Русь своего сына Магмет-Гирея с большим войском. Зимой следующего года татары воевали в Северской земле.