По поводу дальнейших действий мнения разделились. Часть воевод считала, что необходимо отложить начало операций до следующего года и зимовать в Свияжске. Но Иван, отправив в Казань парламентеров с предложением сдаться, приказал начать переправу через Волгу. Эта переправа огромной армии была осуществлена в два-три дня; последним переправился Царский полк. Затем с целью приведения в порядок дорог — «многие мосты мостити, бе бо тогда время дождиво, и воды в реках велики», — вперед был послан передовой конный отряд ертоул, служивший не только разведкой, но и саперной службой. 20 августа русская рать расположилась на Царевом лугу под Казанью.
Сразу же был разработан план осады. «Приступным местом» было решено сделать низину со стороны Арского поля, не имевшую естественных рубежей между осаждающими и стенами крепости. Соответственно этому совет 22 августа «приговорил: стати самому государю и Князю Володимеру Ондреевичу на Цареве лугу, близ Отучевы мизгити, а царю Шигалею за Булаком под кладбищем, а итти царю в большом полку; а на Арском стати большому полку да передовому да княже Володимерову Андреевичя боярину и воеводе князю Юрью; а правой руке за Казанию за рекою, да казаком с ними многим; а сторожевому полку на усть-Булака; а левой руке выше его». Войскам было приказано заняться заготовкой материалов для осадных сооружений — заготовить на 10 человек туру, и по одному бревну на человека для сооружения тына. Кроме того, было приказано, чтобы «без воеводского веления нихто бы не ездил травится к городу, дондеже время приспеет».
Итак, 23 августа войска заняли свои места в соответствии с диспозицией, отбив вылазку татар из города. Через день началось строительство осадных сооружений. Работы приходилось вести в очень сложных условиях — на расстоянии всего 100 м от крепостных стен, под непрерывным вражеским огнем, чаще всего по ночам, чтобы уменьшить потери. При этом приходилось отражать постоянные вылазки. Там, где туры не могли быть установлены, в землю вкапывали частокол с отверстиями для верхнего и нижнего боя. Напротив ворот, где больше всего была опасность вылазок, устраивали шанцы, выступы из сплошного ряда тур, которые позволяли вести боковой обстрел совершающих вылазку казанцев. Перед укреплениями устроили закопы — глубокие траншеи, из которых могли вести огонь казаки и стрельцы.
Все эти работы были закончены в пять дней, с 25 по 30 августа. Помешать им не смогла даже комбинированная атака, которую предприняли 28 августа совершившие вылазку защитники города и ударившие из Арского острога в тыл русской рати отряды царевича Япанчи. Последнее было особенно опасно — отряды Япанчи были свободной полевой силой, действовавшей в тылу русского войска. Поэтому уже на следующий день, 29 августа, на совете было решено устроить ловушку и покончить с силами Япанчи раз и навсегда. С этой целью 30 августа в заросших лесом оврагах у р. Казанки укрыли конницу, а полк князя А. Б. Горбатого пошел в глубокий обход. Когда конница Япанчи вновь появилась близ русских позиций, расположенные на Арском поле войска начали отступать; черемисы бросились за ними и были неожиданно атакованы с флангов конницей, а с тыла — войсками Горбатого. Окруженное войско было уничтожено, было захвачено много пленных, и Грозный решил провести «акцию устрашения». Казанцам было отправлено послание с предложением сдаться, а когда они «не учиниша ответу», царь приказал перебить всех пленников перед стенами города, на глазах у его защитников.