Шах-Али (1505–1567) был сыном царевича Шейх-Аулияра и внучатым племянником хана Ахмата. В 1516 г. после смерти отца он получил в удел Касимов. В 1518 г. после смерти Мухаммед-Эмина казанцы «прислали бити челом государю великому князю Василию Ивановичу, чтобы их пожаловал, дал им государя». Василий III отправил в Казань Шах-Али, не имевшего никакого отношения к угасшей династии Улу-Мухаммеда.
Источники единодушно свидетельствуют, что юный казанский хан (ему было 13 лет) обладал отталкивающей внешностью. По словам русского летописца, он был «зело взору страшного и мерзкого лица и корпуса, имел уши долгие, на плечах висящие, лице женское, толстое и надменное чрево, короткие ноги, ступни долгие, скотское седалище… Такого им, татарам, нарочно избраша царя в поругание и в посмеяние им». Сходное описание дает австрийский посол С. Герберштейн: «у него было огромное брюхо, редкая бородка и женоподобное лицо (на ушах свисали две длинные черные пряди)». Шах-Али продержался в Казани недолго. В 1521 г. он был изгнан и бежал в Россию, но сохранил за собой титул царя. В Касимове тогда правил его брат Джан-Али (Яналей), и Шах-Али некоторое время, по-видимому, вообще не имел никакого удела. В 1523 и 1524 гг. Шах-Али участвовал в походах на Казань. В 1532 г. казанцы, перед угрозой московского войска, просили дать им в ханы Джан-Али, что и было исполнено. Но Шах-Али и на этот раз не получил Касимова, а получил в удел Каширу и Серпухов. В 1533 г. в судьбе Шах-Али наступил крутой перелом – он был обвинен в ведении переговоров с Казанью, арестован и сослан на Белоозеро, где пробыл до 1535 г.
В 1535 г. Джан-Али был убит в Казани, а престол занял противник Москвы Сафа-Гирей из династии крымских ханов. Для противодействия Сафа-Гирею Шах-Али был освобожден из заточения и получил аудиенцию у юного Ивана IV и его матери Елены Глинской. После Шах-Али представлялась его супруга Фатима-султан и, встречая ее, пятилетний Иван IV «молвил царице „Табуг Салам“ (т. е. по-татарски: здравствуй!) и с нею карашевался (приветствовал ее)». Когда Шах-Али получил Касимов – неизвестно, во всяком случае, до 1540 г. В 1537/38, 1540 и 1541 гг. он участвовал в походах к Владимиру и Мурому для отражения возможного нападения казанского хана. В 1546 г. после смерти Сафа-Гирея Шах-Али вновь воцарился в Казани, но через три месяца бежал прямиком в Касимов.
С 1546 г. Шах-Али участвовал в походах на Казань ежегодно. В 1551 г. он руководил постройкой Свияжска, благодаря которому была достигнута блокада Казани. Казанцы были вынуждены выдать своего малолетнего хана Утямыш-Гирея, сына Сафа-Гирея, и просить в ханы Шах-Али. Вместе с Шах-Али в Казань прибыли 300 касимовских князей, мурз и татар и 200 русских стрельцов. Оказавшись в третий раз на престоле, Шах-Али попал в трудное положение. Русское правительство требовало от хана, чтобы он «укрепил бы Казань крепко государю, да и собе, как Касимов городок, чтобы при нем и после его была не подвижна, и кровь бы на обе стороны престала на веки…» Для сохранения Казанского ханства под русским протекторатом, правительство Ивана IV ориентировалось на реальный пример подобного образования – Касимовское ханство. С другой стороны, чтобы как-то добиться лояльности казанцев, Шах-Али должен был отстаивать их интересы. Оказавшись между молотом и наковальней, Шах-Али не мог ничего предпринять, чтобы улучшить свое положение. В марте 1552 г. по требованию русского правительства Шах-Али отрекся от престола и покинул Казань.
Наступили последние дни Казанского ханства. После отъезда Шах-Али в Казани произошел очередной переворот. Казанцы закрыли ворота перед русским воеводой, направлявшимся в крепость, чтобы ликвидировать ханство и установить воеводское управление, и пригласили на престол астраханского царевича Ядыгар-Мухаммеда (Едигера). Шах-Али с касимовскими татарами участвовал в походе Ивана IV на Казань в 1552 г., закончившемся падением ханства.
Иван IV и русские воеводы доверяли Шах-Али и касимовцам, но во время решающего штурма Казани, закончившегося страшной резней, царь и его татары были определены в войско, расположенное вокруг города с тем, чтобы не дать осажденным вырваться, и в самом штурме не участвовали. Зато в торжественном въезде Ивана IV в Казань Шах-Али ехал вслед за русским царем, а перед этим поздравлял его с победой. С падением Казани отпала необходимость в существовании ханов, находящихся «под рукой» великого князя московского, но Касимовское ханство продолжало существовать, причем до заката ему оставалось более полувека.
Касимовские татары очень скоро понадобились Ивану Грозному на новом фронте – в Ливонской войне (1558– 1583). Активным участником Ливонской войны был Шах-Али. В 1557–58 гг. он возглавлял полк в походе на Ливонию и произвел большое опустошение в этой стране. В 1561 г. он был послан под Смоленск, а в 1564 г. стоял в Вязьме. Касимовские татары и «царев Шигалеев двор» участвовали без своего государя в усмирении мятежей в Казанской земле в 1553, 1554 гг.; в походах на шведов в 1555, 1556 гг.; в 1556 г. стояли в Серпухове. Европейские писатели с ужасом пишут о жестокостях и бесчеловечности Шах-Али и татар. В части, касающейся пленных европейцев, эти сообщения недалеки от истины. Особым указом Иван IV запретил продавать пленных в Германию и Польшу, и они отправлялись, по словам иностранных писателей, в Татарию, Персию, Турцию и Индию. В Казанском ханстве издавна была хорошо налажена работорговля. Надо полагать, что волна ливонских пленников не миновала и Касимова.
Во второй половине XVI в. в положении Касимовского ханства существенных перемен не происходило. Преемником Шах-Али стал правнук хана Ахмата царевич Саин-Булат. Впервые его имя упоминается в 1570 г. на дипломатических переговорах между русским и турецкими представителями. Тогда русский посол говорил: «Мой государь вовсе не есть враг мусульманской веры. Слуга его, царь Саин-Булат господствует в Касимове, царевич Кайбула в Юрьеве, Ибак в Сурожике, князья ногайские в Романове: все они свободно и торжественно славят Магомета в мечетях…» В этих словах содержится указание на еще один аспект вопроса о судьбе Касимовского ханства после падения Казани – международный. Касимовское ханство играло важную роль в русско-крымских, русско-ногайских, русско-турецких и даже русско-казахских отношениях второй половины XVI в. Вассальное мусульманское государство было необходимо русскому правительству и как объект пожалования возможным претендентам, изгнанным со своих престолов, и как свидетельство лояльного отношения к исламу и отсутствие ущемления прав российских подданных-мусульман. В 1573 г. Саин-Булат принял крещение с именем Симеона Бекбулатовича, и сразу же лишился и касимовского престола. Правда, Симеона Бекбулатовича ждало более высокое призвание – в 1575/76 г., по воле Грозного, он занимал московский престол, а затем получил в удел Тверь. В Смутное время он стал династическим соперником сначала Годунова, затем Лжедмитрия I и Василия Шуйского, был ослеплен при помощи яда, а затем насильственно пострижен в монахи и отправлен в Соловецкий монастырь. Скончался Симеон Бекбулатович глубоким стариком в 1616 г.
О внутреннем состоянии и устройстве Касимовского ханства нам известно крайне мало. Касимовский хан назначался из представителей мусульманских (в основном, татарских) династий, выехавших, бежавших или взятых в плен в Россию и обязавшихся служить московскому государю. Все касимовские ханы, выходцы из Казани, Крыма, Астрахани, Казахстана и Сибири, были потомками Чингисхана, представителями старшей линии Джучидов, т. е. ханов Золотой Орды. При вступлении в должность хан приносил шерть. До нас дошла присяга Абдул-Латифа, данная им в 1508 г. при получении в удел Юрьева. В основные обязанности хана входило: верно служить великому князю; не вступать в сношения с недругами великого князя; не принимать к себе татар, служащих великому князю; в свою очередь Василий III обязался не принимать к себе татар, служащих Абдул-Латифу, за исключением представителей четырех знатнейших родов – Ширин, Барын, Аргын и Кипчак; татары Абдул-Латифа, проходя по русским землям, не грабят и не обижают христиан; преступников хан обязан выдавать, а пойманных на месте преступления – казнить. По-видимому, обязательства касимовских владельцев были весьма близки к этим.