По словам Курбского, первым на стену Казани взошел его родной брат Иван, и это оказалось переломным моментом сражения. Брат трижды, рубясь, проехал через татарский полк, и Курбский опять-таки сравнивает его с царем, правда, казанским: будто бы свидетели этой схватки «думали, что царь казанский между ними ездит». В отдельных местах, как рапортовал воевода Михаил Воротынский, русские ворвались на городские улицы. Но, не будучи уверенным в окончательном успехе штурма, Иван Грозный приказал остановить наступление и отозвать войска. Перед уходом они подожгли городскую стену. Отдельный отряд закрепился в Арских воротах, сделав их плацдармом будущего наступления.
2 октября немецкий инженер на восходе при первых лучах солнца взорвал новый подкоп, обвалилась большая часть крепостной стены. Со всех сторон войска пошли приступом на город. Русские довольно быстро выбили татар из укреплений, и в городе начались тяжелые уличные бои – когда воины из-за тесноты не могли поднять сабли и резались ножами. Был эпизод, когда отряды противников сцепились копьями и так стояли несколько часов, не в силах одолеть друг друга, но не желая и уступать.
Татары пытались применить тактику, которая им нередко помогала раньше. Типичным приемом в полевых сражениях для них было притворно отступить, бросив на разграбление собственный обоз, а когда противник увлечется грабежом, внезапно напасть и разгромить «расслабившихся» воинов. Во время последнего штурма Казани татары отступали непритворно, а под натиском русских войск. Но они рассчитывали, что, когда войска войдут в город и начнут грабить его, хан сможет нанести контрудар.
Частично этот план был реализован. Татары, бросив стену, отошли к последней линии обороны – ханскому дворцу, который был обнесен высоким забором. К нему вели узкие проходы между каменных зданий и мечетей, которые было легко оборонять. Между тем наступательный порыв иссяк. Курбский свидетельствовал, что на подходе к дворцу войско редело на глазах. Зато на улицы Казани хлынула толпа обозников, кашеваров, трусов и дезертиров, которые во время сражения притворились мертвыми и спрятались под трупами. Теперь же вся эта людская масса, разгоряченная запахом крови и чувством безнаказанности, жаждала грабить местных жителей и поступать с ними так, как во все времена поступали победители с побежденными... Некоторые особо шустрые мародеры, по словам Курбского, успевали по дватри раза забежать в крепость, набрать добычи и сбегать в русский стан, где ее быстренько спрятать.
Таким образом, войско разделилось на две части: воины государевых полков почти четыре часа бились с татарами на городских улицах, потихоньку прижимая их к последнему рубежу обороны – дворцу, а обозники и слуги тем временем с упоением занимались грабежом.