Однако опасности в окрестностях Казани ещё не прекратились для русских. Если Арский лес не бросал уже в них стрелы, зато луговые черемисы отгоняли наши табуны и тревожили наш лагерь со стороны Галицкой дороги. Стоявшие тут воеводы правой руки ходили на них и побили их наголову, но опасность новых нападений, заставляя этот полк быть постоянно настороже, утомляла его; сверх того, занимая низкие равнины вдоль Казанки, он более всех терпел от пальбы с крепости, от ненастья и от сильных дождей, весьма обыкновенных в это время года, между тем как суеверие приписывало их чародейству. Князь Курбский говорит, что на городские стены, при восходе солнца, выходили какие-то старцы и бабы и в виду русского войска творили разные чары: «вопили сатанинские слова, махали своими одеждами на русское войско и неблагочинно вертелись», — и тогда вдруг поднимался сильный ветер, собирались тучи (хотя раньше небо было совершенно ясно), лил дождь ливмя, и земля на тех местах, где стояли русские, обращалась в болото. Царю посоветовали привезти из Москвы крест с частицею Животворящего Древа. Когда был привезён этот крест и стали совершать с ним молебствия и крестные ходы, то сила «поганых чар», по словам Курбского, прекратилась. По словам летописца, были и для русских добрые предзнаменования, предвещавшие успех. Набожные люди видели вещие сны: один видел, как святые Апостолы благословляли Казань, где должно было водвориться православие; другому св. Николай Чудотворец повелел возвестить царю, что Казань будет взята. Замечен был некоторыми какой-то чудный свет над городом, поднимавшийся столбами.
Между тем осадные работы продолжались. Дьяк Иван Выродков поставил против Царёвых ворот башню в 6 саженей вышиною, построенную тайно, вёрстах в двух за станом; внесли на неё много наряду, пищали полуторные и затинные (небольших размеров пушки). Стрельцы начали стрелять с башни в город и побивали много народу. Осаждённые укрывались в ямах, копали рвы под городскими воротами, под стенами и рыли норы под тарасами: у всяких ворот за рвами были у них большие тарасы, насыпанные землёю. Выползая из нор, как змеи, они бились беспрестанно, день и ночь, с осаждающими. Особенно жестоко бились они, не давая придвигать туров ко рву. Тем не менее, однако, князь Михаил Воротынский успел придвинуть туры к самому рву, против Арской башни и Царёвых ворот, так что между городскими стенами и русскими турами оставался один ров в 3 сажени шириною и в 7 глубиною. Придвинув туры ко рву, осаждающие разошлись обедать, оставив подле укреплений немногих людей. Заметили казанцы эту оплошность, вылезли изо всех нор и из-за Тарасов и неожиданно напали на туры._ Защитники последних дрогнули и побежали. Но воеводы успели выстроить полки и ударили на казанцев, которые были сбиты во рвы. Русские били их и тут, но они норами убегали в город. Это дело было одним из кровопролитнейших; и хотя туры были спасены, однако это спасение дорого стоило осаждающим, которые потеряли много убитыми и ранеными. Сам князь Воротынский получил несколько ран и спасся от смерти благодаря крепости своего доспеха. В то время как ожесточённый бой кипел против Арской башни, ногаи и казанцы сделали вылазку из Збойлевых ворот на туры передового полка и яртоула. Здесь воеводы были готовы, подпустили неприятеля к турам, ударили на него со всех сторон и поразили без всякого для себя урона.
Уже около пяти недель стояли русские под Казанью, истребив во время вылазок и в городе не менее 10 000 неприятелей, а осада грозила кончиться ещё не скоро. Наступающая осень пугала всех более, нежели трудности осады: все желали скорейшего конца. Видя, что русский огонь не причиняет большого вреда осаждённым, скрывающимся за тарасами, царь велел сделать подкоп под эти тарасы, и как только их взорвут, придвинуть туры к самым воротам Арским и Царёвым. 30 сентября тарасы взлетели на воздух вместе с людьми; брёвнами побило множество народа в городе, остальные обеспамятели от ужаса и долго оставались в бездействии; стрелы перестали летать из Казани. Пользуясь этим временем, воеводы утвердили туры подле Царёвых, Арских и Аталыковых ворот. Наконец казанцы опомнились, выскочили изо всех ворот и с ожесточением напали на русских. В это время Иоанн сам показался у города. Увидав его, русские с новым, удвоенным рвением ударили на неприятеля, схватились с ним в воротах на мостах, у стен, бились копьями и саблями, схватывались за руки. Дым от пушечной и пищальной пальбы покрыл город и сражающихся. Наконец осаждающие одолели, взобрались на стены, заняли Арскую башню, втеснили в самый город. Князь Михаил Воротынский послал сказать Иоанну, что надобно пользоваться удачею и вести общий приступ. Но остальные полки не были приготовлены к этому дню, и, по царскому приказанию, воинов вывели насильно из города. Стены, ворота и мосты были зажжены, а в Арской башне утвердились русские люди. Мосты и стены горели целую ночь, из стен сыпалась земля. Русские воеводы велели своим ратникам на занятых местах заставиться крепкими щитами, а туры засыпать землёю. Татары также работали: ставили против пробитых мест срубы и насыпали их землёю.
На другой день, 1 октября, царь велел наполнить рвы лесом и землёю, устроить мосты и бить из пушек беспрестанно: били весь день и сбили до основания городскую стену. Общий приступ назначен был на следующий день, в воскресенье, 2 октября. Во всех полках ратным людям велено было очистить душу (исповедаться и причаститься) накануне рокового дня. Но прежде решительного приступа царь хотел в последний раз испытать действие мирных переговоров: к городу был отправлен Мурза-Камай с предложением, чтобы казанцы били челом государю; если они отдадутся в его волю и выдадут изменников, то государь простит их. Предложение было отвергнуто. Осаждённые в один голос отвечали: «Не бьём челом! На стенах Русь, на башне Русь — ничего: мы другую стену поставим — и все помрём или отсидимся!» Итак, казанцы сами решили свою участь. Услышав их ожесточённо-отчаянный ответ, Иоанн произнёс: «Премилосердный Боже! Ты видишь моё сердце, что я посылал к ним с предложением мира; они отвергли его и предпочли кровопролитие. А потому да будет эта кровь на них и на детях их!» Решено было взорвать подкопы и всеми силами ударить на город в 3 часа следующего утра. По дорогам царь велел также расставить полки, чтобы не пропускать казанцев, если они вздумают бежать из города.
В ночь с субботы на воскресенье шли приготовления. Из города видели необычайное движение в русском стане, поняли, в чём дело, и тоже готовились к последнему смертному бою.
Занялась заря. Небо было ясное, чистое. Казанцы, готовые к бою, стояли на стенах, русские — в своих укреплениях. Ни с той, ни с другой стороны не стреляли. Время от времени только звучали то там, то сям трубы и бубны, и снова наступала полная тишина. То была тишина томительная, зловещая, словно затишье пред грозой... Царь пред рассветом беседовал наедине со своим духовником, затем стал вооружаться, надевать свой юшмак (доспех), как вдруг ему почудился колокольный звон из Казани. «Слышу, — сказал царь своим приближённым, — звон как будто Симонова монастыря!» Это было принято за доброе предзнаменование. Царь пошёл к заутрене в свою походную церковь. Князь Воротынский уведомил его, что розмысл всё уже приготовил, 48 бочек пороху под город подведено, и мешкать более нельзя ни минуты, потому что из города заметили приготовления. Царь послал возвестить по всем полкам, чтобы все изготовились к бою, отпустил от себя всех воевод по их местам, велел своему полку ждать себя в урочном месте, а сам начал молиться со слезами: «Владыко Христе! Помилуй рабов Твоих. Се пришло время Твоей милости; се время — подай крепость на сопротивных, рабам Твоим, освободи сирых и пленных! Пошли Свою древнюю милость свыше, да разумеют поганые, что Ты — Бог наш, что на Тебя уповая побеждаем! И Ты, о, Пречистая Владычица и Богородица, будь помощница мне и моему воинству! Надеющееся на Тя да не посрамимся в брани Твоими молитвами!»
Царь слушал обедню. Дьякон оканчивал чтение Евангелия и лишь только возгласил последние слова: «И будет едино стадо и един Пастырь», как грянул взрыв, словно гром: земля дрогнула... Царь выступил немного из церковных дверей и увидел страшное зрелище: дым и земля, взорванная порохом, затмили воздух; брёвна, камни и множество людей летели в вышину. Он вернулся в церковь, чтобы дослушать службу, и продолжал молиться ещё усерднее. Дьякон произносил ектению: О благоверном Царе и великом князе Иоанне Васильевиче и о супруге благоверной Царице и великой княгине Анастасии Романовне, о пособити и покорити под нозе его всякого врага и супостата, при последних словах разразился второй взрыв, сильнее первого. Ужасно было видеть множество истерзанных трупов и искалеченных людей, летящих в воздухе на страшной высоте! С криком «С нами Бог!» русское войско со всех сторон кинулось на город. Татары призывали на помощь Магомета и с яростью схватывались с русскими. Жестокая сеча кипела в городских воротах, в проломах и на стенах. Один из царских приближённых вошёл в церковь и сказал государю: «Государь! Время тебе ехать, уж полки ждут тебя», — «Если до конца пения дождёмся, — отвечал ему царь, — то получим от Христа совершенную милость». — Явился второй вестник. «Великое время (непременно нужно), — сказал он, — царю ехать, чтобы укрепились воины в бою, увидев его». Царь глубоко вздохнул, и слёзы полились из глаз его. «Не оставь меня, Господи Боже мой, — молился он, — и не отступи от меня, вонми в помощь мою!» Обедня уже оканчивалась. Иоанн приложился к образу чудотворца Сергия, выпил святой воды, вкусил просфоры, принял благословение у духовника и сказал духовенству: «Простите меня и благословите пострадать за веру Христову, молите Бога непрестанно, помогайте нам молитвою!» Сказав это, царь сел на коня и поскакал к своему полку.