150000 войска со 150 пушками обложили Казань, защищенную только деревянными стенами, но за этими стенами скрывалось 30000 отборного войска. 23 же числа начались сшибки с осажденными; при этих сшибках, обыкновенно удачных для русского войска, особенно удивлялись небывалому порядку: бились только те, которым было приказано; из других полков никто не смел двинуться.
В самом начале осады твердость Иоанна выдержала сильное испытание: страшная буря сломила шатры, и в том числе царский, на Волге разбило много судов, много запасов погибло; войско уныло, но не унывал царь: он послал приказ двинуть новые запасы из Свияжска, из Москвы, объявляя твердое намерение зимовать под Казанью; ездил днем и ночью кругом города, рассматривая места, где удобнее делать укрепления. Осадные работы шли безостановочно: ставили туры, снабжали их пушками; где нельзя было ставить тур, там ставили тын, так что Казань со всех сторон была окружена русскими укреплениями: ни в город, ни из города не могла пройти весть. Казанцы беспрестанно делали вылазки, бились отчаянно с защитниками тур, бились, схватываясь за руки, но были постоянно втаптываемы в город. От беспрерывной пальбы по городу гибло в нем много людей; стрельцы и козаки, закопавшись во рвах перед турами, также не давали казанцам входить на стены, снимали их оттуда меткими выстрелами. Но скоро внимание осаждающих было развлечено: из леса на Арское поле высыпал неприятель многочисленными толпами, напал на русские полки и хотя был отражен с уроном, однако не меньший урон был и на стороне осаждающих; пленники объявили, что это приходит князь Япанча из засеки, о которой говорил прежде Камай-мурза. После этого Япанча не давал покоя русским: явится на самой высокой городской башне большое знамя, и вот Япанча по этому условному знаку нападает на русских из лесу, а казанцы изо всех ворот бросаются на их укрепления. Войско истомилось от беспрестанных вылазок из города, от наездов из лесу и от скудости в пище: съестные припасы вздорожали, но и сухого хлеба ратнику было некогда поесть досыта; кроме того, почти все ночи он должен был проводить без сна, охраняя пушки, жизнь и честь свою. Для истребления лесных наездников отправились 30 августа князья Александр Борисович Горбатый и Петр Семенович Серебряный; войско Япанчи, конное и пешее, высыпало к ним навстречу из лесу и потерпело решительное поражение; победители преследовали его на расстоянии 15 верст, потом собрались и очистили лес, в котором скрывались беглецы; 340 человек пленных было привелено к Иоанну. Он послал одного из них в Казань с грамотами, писал, чтоб казанцы били челом и он их пожалует; если же не станут бить челом, то велит умертвить всех пленников; казанцы не дали ответа, и пленники были умерщвлены перед городом.
На другой день, 31 августа, царь призвал размысла (инженера), немца, искусного в разорении городов, и велел ему сделать подкоп под Казань. Потом призвал Камай-мурзу и русских пленных, выбежавших из Казани, и спросил, откуда казанцы берут воду, потому что реку Казанку давно уже у них отняли. Те сказали, что есть тайник, ключ, в берегу реки Казанки у Муралеевых ворот, а ходят к нему подземным путем. Царь сперва приказал воеводам сторожевого полка, князю Василию Серебряному и Семену Шереметеву, уничтожить тайник, но воеводы отвечали, что этого сделать нельзя, а можно подкопаться под тайник от каменной Даировой башни, занятой уже давно русскими козаками; царь послал для этого Алексея Адашева и размысла, но последнему велел для подкапывания тайника отрядить учеников, а самому надзирать за большим подкопом под город. День и ночь работали над подкопом под тайник, наконец подкопались под мост, куда ходят за водою; сам князь Серебряный с товарищами вошел в подкоп и, услыхав над собою голоса людей, едущих с водою, дал знать государю; царь велел поставить под тайник 11 бочек пороху, и 4 сентября тайник взлетел на воздух вместе с казанцами, шедшими за водой, поднялась на воздух часть стены, и множество казанцев в городе было побито камнями и бревнами, падавшими с огромной высоты; русские воспользовались этим, ворвались в город и много перебили и попленили татар. Только после этого несчастия осажденными овладело уныние; обнаружилось разногласие: одни хотели бить челом государю, но другие не соглашались, начали искать воды, нашли один смрадный поток и довольствовались им до самого взятия города, хотя от гнилой воды заболевали, пухли и умирали. 6 сентября с большим кровопролитием взят был острог, построенный казанцами в 15 верстах от города, на Арском поле, на горе между болотами. Взявши острог, воеводы пошли к Арскому городищу, воюя и пожигая села; от Арского городища возвратились другою дорогою к Казани, повоевали Арскую сторону всю, многих людей побили, жен и детей в плен взяли, а христиан многих из плена освободили; воевали они на 150 верст поперек, а в длину до самой Камы; выжгли села, множество скота пригнали к Казани в полки.