В это самое время на южной стороне крепости начался мятеж; стрельцы и горожане ставили лестницы, подавали руки казакам. Бутлер описал столкновение между полковником Бейли и подчинёнными ему солдатами — те ранили его и угрожали убить. В какой-то момент предположительно прозвучали пять выстрелов из пушки — обговорённый заранее сигнал к всеобщему мятежу. Костомаров: «Вслед за роковым сигналом астраханцы (молодшие люди, то есть чернь и бедняки) с яростным криком бросились бить дворян, детей боярских, пушкарей, людей боярских, и кто-то, неистовый, налетел на князя Прозоровского и ударил его копьём в живот: князь упал с лошади. Верный старый холоп схватил его, пробился с ним сквозь разъярённую толпу, унёс в соборную церковь и там положил на ковре. Брат воеводы, Михаил Семёнович, погиб близ стены от самопального выстрела. Всё кругом разразилось изменою; стрельцы величали батюшку Степана Тимофеевича».
Казаки почти без боя взяли Земляной город и Белый город; оставался только кремль. На приступ опять пошли с двух сторон; одну часть войска вёл Разин, другую — Ус. Сопротивление оказывали отряды иностранных наёмников — не то чтобы они были бо́льшими патриотами Руси, чем русские, но, во-первых, привыкли подчиняться дисциплине, во-вторых, вероятно, слышали, что разинцы иностранцев за редким исключением не щадят. (Стрейс: «...разбойник сильно озлоблен против немцев, ибо они проявляли наибольшую стойкость и наносили ему наибольший ущерб в битвах»). Фабрициус пишет, что в одном из городских кварталов голландский отряд держал оборону несколько часов, пока не был перебит весь; якобы голландцы уничтожили более тысячи казаков. Он же: «Персы, как посольские, так и торговые люди, укрылись в одной из башен и храбро защищались, перестреляли несколько сот казаков, а когда им не хватило пуль, они стали стрелять монетами, так что впоследствии лекари вырезали из воров много монет. Под конец из-за недостатка пороха и свинца пришлось сдаться и персам. Стенька даровал им жизнь». Так же говорит и Бутлер: «большая часть персов была оставлена в живых» — причём выжил даже один голландец, лицом смахивавший на перса. Однако в цитированной выше челобитной персидских купцов говорится, что Разин «шахова величества людей многих побил» (а также отнял посланную царю казну и подарки).
6 мая 1676 года Фабрициус был допрошен в Посольском приказе (Крестьянская война. Т. 3. Док. 130) и сказал: «Как он во прошлом во 178-м году изменою вор и богоотступник Стенька Разин со товарыщи Астрахань взяли, и в то время он, Лодвик, с отцом своим по указу великого государя гранатного дела с мастером с Павлом Рудольфом у гранатного дела был». На самом деле он был среди атакующих — неизвестно, впрочем, принимал ли лично участие в городских боях. Но пушки-то, похоже, он казакам настраивал и «гранатному делу» их учил...
Видерос, по словам Бутлера, был убит своими же солдатами. Костомаров: «Долее всех сопротивлялись люди черкесского князя Коспулата Муцаловича, природные черкесы с двумя русскими, всего девять человек. Наконец, выбившись из сил и истратив весь порох, они бросились из башни за город, но их догнали и изрубили». Раненый Прозоровский с митрополитом, боярами и чиновниками запёрся в соборе, который охраняли некоторые оставшиеся верными стрельцы, в частности, стрелецкая полусотня во главе с пятидесятником Ф. Дурой. Преодолеть столь жалкое сопротивление было нетрудно; Дуру и часть осаждённых убили, остальных связали и посадили около городской стены. Было уже утро. Астрахань пала.
Дальнейшая последовательность событий не вполне ясна. По одним версиям, Разин прежде всего переговорил с персами и потребовал от персидского посланника написать шаху, что предлагает обменять астраханских персов на русских (или, во всяком случае, казацких) пленных; по другим, сперва всё-таки были казни, а остальное потом.
По рассказу П. Золотарёва, который приводит А. Попов, на городском круге было приговорено к казни 66 человек. (Нередко пишут о 441 казнённом, но это ошибка: у Золотарёва это количество получилось вместе с убитыми с обеих сторон в городских боях; он также сообщает, что все они были захоронены в одной могиле у Троицкого монастыря). Кого именно казнили? Фабрициус: «Когда они стали хозяевами города, они всё разорили и разграбили, а затем свалили в кучу, чтобы позже разделить между всеми. В этом побоище многие хорошие люди разного звания, как иностранцы, так и русские, были безжалостно убиты, замучены до смерти, повешены кто за ноги, кто за рёбра». Бутлер: «Его [Прозоровского] младший подьячий и другие начальники, или офицеры, большие и малые, были перебиты или сброшены в воду». Костомаров сообщает, что казнили, в частности, тех гонцов, которых Прозоровский посылал на Терек за подмогой.