Когда русское войско подступало к Казани, там всё казалось тихо и пусто: не заметно было никакого движения, не видно было людей на стенах. Многие радовались, думая, что царь казанский от страха бежал с войском в леса; но опытные, бывалые воеводы советовали не вдаваться в обман и иметь тем большую осторожность. Русские обступали Казань. 7000 стрельцов и пеших казаков перешли по наведённому мосту тинистый Булак и, видя перед собою (не более, как в 200 саженях) царские палаты и каменные мечети, лезли на высоту, чтобы пройти мимо крепости к Арскому полю, — как вдруг раздался шум и крик: отворились со скрипом ворота, и 15 000 татар конных и пеших ударили на стрельцов, расстроили и сломили их. Князья Шемякин и Троекуров удержали бегущих, они сомкнулись. На помощь к нашим послано было воеводами несколько боярских детей. Началась горячая схватка. Русские, не имея конницы, стояли грудью, из оборонительного положения перешли в наступательное, бросились на неприятеля, смяли его и гнали до самых городских стен, несмотря на сильную пальбу из города, взяли пленников и медленно отступили, в виду всех наших полков, которые, спокойно идучи к назначенным для них местам, издали наблюдали за этим первым славным делом. При этом особенного удивления заслуживал небывалый порядок: во исполнение царского приказания, бились только те, кому было приказано, — из других полков никто не смел двинуться. Когда все полки заняли назначенные им места, расставлены были шатры и поставлены три полотняные церкви: во имя Архистратига Михаила, Великомученицы Екатерины и преподобного Сергия Радонежского. Ночь прошла спокойно. Но на другой день царю и войску русскому пришлось выдержать сильное, неожиданное испытание: страшная буря сломила шатры и в том числе царский шатёр; на Волге разбило много судов, причём погибло много запасов. Войско упало духом: думали, что всему конец, что осады не будет, что, не имея хлеба, должны будут удалиться со стыдом. Но царь не унывал: он послал в Свияжск и в Москву за съестными припасами, за тёплою одеждою для воинов, за серебром, объявляя твёрдое намерение зимовать под Казанью, если это окажется нужным; ездил днём и ночью кругом города, рассматривая места, где удобнее делать укрепления. Осадные работы шли безостановочно: ставили туры, снабжали их пушками; где нельзя было ставить туров, там ставили тын, так что Казань со всех сторон была окружена русскими укреплениями — ни в город, ни из города не могла пройти весть. Казанцы постоянно делали вылазки, бились отчаянно с защитниками туров, но были постоянно отбиваемы в город. И в этих схватках, по замечанию летописца, всегда падало больше бусурман, нежели русских, в чём последние видели особенный знак милости Божией и получали новое подкрепление для своего мужества.
25 августа лёгкая дружина князей Шемякина и Троекурова двинулась с Арского поля к реке Казанке выше города, чтобы отрезать его от Луговой Черемисы, соединиться с правою рукою и стать ближе к стене. Казанцы сделали вылазку. Князь Шемякин был ранен; но князь Дмитрий Хилков, главный предводитель отрядов, помог ему с детьми боярскими отбросить неприятеля в крепость. Ночью сторожевой полк и левая рука без боя и сопротивления расставили туры и пушки. Стрельцы окопались рвом, а казаки, под самой городскою стеною, засели в каменной, так называемой Даировой бане. Засев здесь, стрельцы и казаки не давали казанцам всходить на стены, снимая их оттуда меткими выстрелами. 26 августа большой полк выступил перед вечером из стана: князь Воротынский шёл с пехотою и катил туры; князь Мстиславский вёл конницу, чтобы помогать ему в случае нападения. Государь дал им отборных детей боярских из собственной дружины. Казанцы ударили на них с диким воплем, а с башен и стен посыпались ядра и пули. В дыму и в огне русские отражали казанцев ружейною стрельбою, копьями и мечами, хладнокровно шли вперёд, втеснили татар в город и наполнили неприятельскими телами мосты. Казаки стали на валу, стреляли до самой ночи и дали время князю Воротынскому утвердить и насыпать землёю туры в 50-ти саженях от рва, между Арским полем и Булаком. Тогда он велел им отступить к турам и закопаться, скрыться под ними. Но темнота не прекратила битвы: казанцы до самого утра выходили и резались с нашими. Отдыха никому не было — ни воины, ни воеводы не смыкали глаз. Иоанн молился в церкви и ежечасно посылал своих знатнейших сановников ободрять сражающихся. Наконец неприятель утомился, и восходящее солнце осветило решительную победу русских. Государь велел петь в стане благодарственные молебны.