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.

27 августа боярин Морозов, прикатив к турам стенобитный снаряд, открыл сильную пальбу со всех наших бойниц (баттарей); а пищальники стреляли в городе из окопов. Казанцы скрывались за стенами, но, желая проведать о положении дел в нашем войске (добыть языка), напали на русских воинов, рассеянных в поле, близ того места, где стоял князь Мстиславский с частью большого полка. Мстиславский подоспел на выручку к своим, обратил в бегство неприятеля и взял в плен знатного улана Карамыша, который был представлен государю. Пленник сообщил, что казанцы готовы умереть и не хотят слышать о мирных переговорах.

28 августа из леса на Арское поле высыпал неприятель многочисленными толпами, напал на русские полки и хотя был отражён с уроном, однако не меньший урон был и на стороне осаждающих. От пленников узнали, что это приходил князь Япанча из своей засеки. После этого Япанча не давал покоя русским своими частыми и неожиданными нападениями, наездами: появится на самой высокой городской башне большое магометанское знамя, и вот Япанча, по этому условному знаку, нападает на русских из лесу, а казанцы изо всех ворот бросаются на их укрепления, и начиналась лютая сеча. Войско наше истомилось от беспрестанных вылазок, от наездов из лесу и от скудости в пище: съестные припасы вздорожали; но и сухого хлеба ратникам было некогда поесть досыта. Кроме того, почти все ночи приходилось проводить без сна, охраняя пушки, жизнь и честь свою. Наконец царь на совете с воеводами порешил отрядить большую силу, чтобы покончить с Япанчею. Воеводою над этим отрядом был назначен князь Горбатый-Шуйский («муж зело разумный и почтенный и в военных вещах свидетельствованный»). Он искусно повёл дело и привёл его к желанному концу. Имея 30 000 конных и 15 000 пеших воинов, князь Горбатый-Шуйский расположился за горами, чтобы скрыть свои движения от неприятеля, и послал отряды к Арскому лесу — завязать борьбу с неприятелем. Япанча со своими наездниками бросился на русских. Последние начали отступать к своим укреплениям. Татары подумали, что русские бегут, погнались за ними, втиснули в обоз и пускали стрелы дождём, а другие толпы, конные и пешие, шли медленно, в боевом порядке, прямо на стан главного русского войска. Тогда князь Юрий Шемякин с полком своим, готовым к бою, бросился на татар из засады. Татары были поражены такою неожиданностью, однако, находясь уже далеко от леса, должны были принять битву. Скоро явился и сам Горбатый-Шуйский с многочисленным конным отрядом; а пехота наша заходила в тыл неприятелю с правой и с левой стороны. Татары обратились в дикое бегство: их давили, секли, кололи на пространстве 15-ти вёрст до реки Килары, где главный виновник победы, князь Горбатый-Шуйский, остановил своего утомлённого коня и трубным звуком созвал рассеянных победителей. На возвратном пути русские очистили лес, в котором скрывались беглецы, и взяли несколько сот пленников. Одним словом, грозный Япанча был совершенно истреблён. Государь обнял вождей, покрытых бранною пылью, орошённых потом и кровью, хвалил их ум и доблесть, благодарил и всех воинов. Затем он велел всех пленных татар (числом 340 человек) привязать к кольям перед нашими укреплениями, чтобы они уговаривали казанцев сдаться. В то же время русские ездили около города и обещали от имени царя жизнь и свободу и всем этим узникам, и самим осаждённым, если они добровольно сдадутся. Выслушав молча это предложение, казанцы пустили град стрел в своих несчастных сограждан, закричав им: «Лучше вам умереть от нашей чистой, нежели от злой христианской руки!» Упорство казанцев привело царя в ярость, он велел всех пленников перебить перед городом.

Хотя царь, видимо, и рассчитывал на долгую осаду, но всё-таки изыскивал всякие способы ускорить взятие города. И вот 31 августа он призвал «немчина розмысла навычного градскому разорению» (то есть инженера, искусного в разорении городов) и велел ему сделать подкоп под Казань от реки Булака между Аталаковыми и Тюменскими воротами. Потом призвал Камая-Мурзу и русских пленных, выбежавших из Казани, и спросил у них, откуда казанцы берут воду. Ему сказали, что есть у казанцев тайник (подземный ключ) в берегу реки Казанки, у Муралеевых ворот (теперь «Тайные» ворота), а ходят к нему подземным путём. Царь сперва приказал воеводам сторожевого полка, князю Василию Серебряному и Семёну Шереметеву, уничтожить тайник, но воеводы отвечали, что этого сделать нельзя, а можно подкопаться под тайник от каменной Даировой бани, занятой уже русскими казаками. Царь послал для этого Алексея Адашева и розмысла, но последнему велел для подкапывания тайника отрядить учеников, а самому надзирать за большим подкопом под город. День и ночь работали над подкопом под тайник целые пять дней; наконец подкопались под мост, куда ходили казанцы за водою; сам князь Серебряный с товарищами вошёл в подкоп и, услыхав над собою голоса людей, едущих с водою, дал знать государю. Царь велел поставить под тайник 11 бочек пороху (зелия), 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 брёвнами, падавшими с огромной высоты. Казанцы обмерли от ужаса. Русские отряды стремительно кинулись в пролом. Многие особенно рьяные удальцы ворвались в город с громким криком, «как львы рыкали (по словам летописи), свирепо безбожных татар убивали и множество их положили». Но казанцы очнулись от страха и отразили русских. Царь на этот раз удержал войско от нового приступа. В городе распространилось уныние. Многие думали, что дольше защищаться нельзя. Но более упорные взяли верх, стали копать землю в разных местах и дорылись до нового ключа. Вода в нём была смрадная и вредная: иные болели от неё, пухли; другие воздерживались насколько могли от питья, терпели нужду, но молчали и сражались.

6 сентября был взят с большим кровопролитием острог (укрепление), построенный казанцами в 15-ти вёрстах от города на Арском поле, на горе между болотами, где соединились остатки разгромленного войска наездника Япанчи. Во главе отряда шёл князь Семён Микулинский; с ним были бояре Данила Романович и Захарий Яковлев, князья Булгаков и Палецкий, головы царской дружины, дети боярские; стрельцы, атаманы с казаками, темниковская мордва и горные черемисы, служившие проводниками. Срубленный городнями, насыпанный землёю, укреплённый засеками, острог казался неприступным. Воины сошли с коней и вслед за неустрашимыми вождями, через болото, грязную дебрь, чащу леса, под градом пускаемых на них стрел, без остановки взлезли на высоту с двух сторон, отбили ворота, взяли укрепление в 200 пленников. Тела неприятелей лежали кучами. Взяв острог, воеводы пошли к Арскому городищу, воюя и пожигая сёла. От Арского городища они возвратились к Казани другою дорогою, повоевали всю Арскую сторону, многих людей побили, жён и детей в плен взяли, а христиан многих из плена освободили. Воевали они на 150 вёрст поперёк, а в длину до самой Камы; выжгли сёла и пригнали к Казани в полки множество скота, так что корову можно было теперь купить за 10, а вола за 20 денег. Царь и войско были в большой радости.