В июне 1551 года по приказу Грозного отряды чувашей, черемисов и мордвы переправились через Волгу и атаковали Казань. Царь рассчитывал побить татар при помощи своих новых подданных. Битва состоялась у стен Казани на Арском поле. Казанцы применили артиллерию и рассеяли огнем чувашей и черемисов. Таким образом, легко захватить город не удалось.
Однако это не могло остановить Ивана Грозного. Все лето он занимался тем, что принимал изъявления покорности от отрядов татарских перебежчиков, переходивших к нему на службу. Царь кормил их со своего стола, одаривал богатыми подарками. Русский летописец даже отмечал, что никогда и никому еще не платилось такого богатого жалованья. Отряды русских дворян, стрельцов и казаков прочно перекрыли все водные пути по Волге, Каме и Вятке – Казань оказалась в полной блокаде.
В городе начались вооруженные столкновения. Местные татары («арские люди») были готовы сдать Казань, но находившиеся в городе крымские татары (представлявшие собой к тому же наиболее боеспособную силу) этому противились. Казанские и крымские татары стали резать друг друга прямо во дворе хана. В итоге победили сторонники сдачи города: крымские татары, опасаясь, что их просто арестуют и выдадут свои же соплеменники, решили бежать. Из города, бросив свои семьи, жен и детей, вырвался отряд в 300 человек – князья и военачальники. Однако он нарвался на русские военные заслоны, отбиваясь от них, пошел вдоль рек Камы и Вятки и был в конце концов разбит вятчанами под командованием Бахтеяра Зузина и государевыми казаками Федьки Павлова и Северги. В плен попало 46 человек, которых Иван Грозный велел казнить за их «жестокосердие».
Казанские татары прислали делегацию к Ивану Грозному с просьбой сместить хана Утемиш-Гирея и его мать, царицу Суун-бике, и дать им нового правителя – хана Шигалея. Он был бы марионеткой Москвы, но, по крайней мере, сохранялась бы видимость независимости – на казанском престоле был бы татарин, пусть и посаженный туда Иваном Грозным.
Россия на предложение не согласилась и поставила условия: отпуск всех русских пленных, которые томятся в татарском плену, арест остававшихся в городе крымских татар с семьями, выдача Суун-бике и Утемиш-Гирея самими казанцами. Территория ханства разделялась: часть земель (так называемая Горная сторона) отходила к Свияжску. Делегация во главе с мурзой Енбарсом согласилась на все условия.
6 августа 1551 года царский дипломат Алексей Адашев сообщил Шигалею, ехавшему в свите царя, что он теперь новый казанский хан. 11 августа из Казани привезли низложенных Утемиш-Гирея и Суун-бике и несколько арестованных семей крымских татар. Их отослали в Москву. 14 августа Шигалей вступил в Казань и принял власть. После трудных переговоров (татары не хотели отдавать Горную сторону) новый хан и вся казанская знать присягнули на верность Ивану IV. 16 августа 1551 года князь Юрий Голицын, Иван Хабаров и дьяк Иван Выродков провели церемонию возведения Шигалея на казанский престол. Началось массовое освобождение русских пленных; по данным летописи, их набралось 60 тысяч человек. Летописец сравнил их освобождение с исходом евреев из Египта под началом Моисея.