После целования руки Пугачев направился в дом Толкачева. На следующий день осмотрел укрепления, правда, издалека, так как с колокольни все время стреляли. Он приказал ставить дополнительные батареи для обстрела ретраншемента, а под одну из его фланговых батарей подвести подкоп. В 50 саженях от батареи из подвала в погребе казака Ивана Губина начали рыть. Пугачев «сам в стене, зачертив три аршина в ширину и три аршина в длину», показал, как вести работу. Ее делали 11 плотников и 150 рабочих, во главе их Пугачев поставил мордвина Якова Кубаря. «Государь» все время следил за ходом работы, приказывая делать отдушины в подземной галерее, не шуметь. Когда, по расчетам, подкоп подошел в нужное место, там поставили бочку с 10 пудами пороха.
20 января Пугачев вместе с Кубарем и одним из работников спустились в подкоп. Установили свечу на бочке. Когда она догорела, раздался взрыв. Но он оказался не очень эффективным — подкоп подошел не к батарее, а к пустому погребу. Часть контрэскарпа, крепостного вала, разрушилась, осела в ров, засыпав его наполовину. В этом месте, как Пугачев приказал заранее, и начался штурм. Участвовали в нем, помимо казаком, их жены и дочери, малолетки, купцы, «барские люди», татары, калмыки, мещеряки. До 200 человек спустились в ров, с помощью лестниц пытались забраться на вал. Их встретили в штыки, лили на них кипяток, вар, сыпали горячую золу. Атака захлебнулась. На тех же, кто не смог спустится в ров, обрушился орудийный и ружейный огонь; понеся большие потери, казаки отступили. Штурм продолжался девять часов, но успеха не принес. Оставив около 400 убитыми, Пугачев отступил. Потери гарнизона составили около 40 убитых и раненых.
На следующий день восставшие продолжали вести огонь по крепости. Усилили караулы. Но штурм не возобновили — надежды на успех было мало. Пугачев, собираясь уехать в Берду и посоветовавшись с казаками, приказал им выбрать себе атамана. Казаки называли как наилучшего кандидата Никиту Афанасьевича Каргина, человека решительного характера, набожного. Он жил в пустыне «для спасения своей души и богомолия», но в это время как раз приехал домой — захотелось с семьей повидаться. Пугачев призвал его к себе, внимательно осмотрел и отпустил:
— Поди теперь домой, а впредь будешь ты мне надобен.
Через несколько дней созвали круг. Туда явился Пугачев с Каргиным. Казак Иван Леонтьевич Герасимов прочел пугачевский манифест, и казаки еще раз услышали о пожаловании их землями, Яиком-рекой, ее притоками и протоками, всякой вольностью. Вперед вышел «император»:
— Извольте, Яицкое войско, выбрать себе атамана и старшин по-прежнему вашему обыкновению, кого хотите. Отдаю это на вашу волю. Если выбранные атаманы и старшины не станут делать войску угодность и казаки будут ими недовольны, то отдаю на их волю — хоть через три дня старого атамана и старшин сменить, а на место их выбрать других старшин в кругу по общему совету.
Казаки встретили речь Пугачева с благодарностью и воодушевлением:
— Довольны, батюшка, надежа-государь, вашею царскою милостью!
— То-то отец-то отдает на нашу волю выбор атамана!
— Он старинный наш обычай по-прежнему хочет восстановить!
После обсуждения атаманом избрали Никиту Каргина, сотниками — Афанасия Перфильева и Ивана Фофанова. Правда, соблюдая старинный этикет, они отказывались. Каргин, «не желая быть в таком большом достоинстве», пал на колени перед Пугачевым:
— Помилуй, Ваше величество! Я этой должности за старостью и неумением грамоте снести не могу!
— Как! Так ты поэтому мне служить не хочешь! Весь мир теперь обращается ко мне, а ты один хочешь противиться?!
— Я рад тебе послужить!
— Поздравляю вас, войско Яицкое, — Пугачев обратился к казакам, — с выбранными вами старшинами! Будь по-вашему, я воли с вас не снимаю!
— Благодарствуем, — кричали все, — на твоей царской милости!
«Государь» направился в свой «дворец» — дом Толкачева. А круг продолжался — трех выбранных старшин казаки вызвали в середину и, сняв шапки, стали с поклонами просить их занять должности:
— Пожалуй, господин атаман, и старшины! Примите на себя этот труд, послужите нам, Яицкому войску, верою и правдою!
— Мы, Яицкое войско, — Каргин и его товарищи из приличия, но не очень настойчиво, снова отказались, — не имеем большого разума, да и недостойны управлять вами.
«Но напоследок, — по словам Перфильева, — по многим с обеих сторон перекорам, приняли на себя налагаемые чины», показав тем самым, как и полагалось по обычаю, свое бескорыстие, заставив казаков упрашивать себя и т. д.
— Ну, будь воля ваша, Яицкое войско! — этими словами Каргин, Перфильев и Фофанов выразили окончательное согласие, вступили в свои должности.
Пугачев дал им право разбирать судебные дела, наказывать провинившихся, но за незначительные преступления. По «важным винам» (преступлениям) полагалось сообщать Военной коллегии, от которой и «ожидать указ».