Михельсон, получив о том донесение, пустился через лес одною колонною и, вышед в поле, увидел перед собою мятежников, стоящих в боевом порядке.
Михельсон отрядил Харина противу их левого крыла, Дуве противу правого, а сам пошел прямо на главную неприятельскую батарею. Пугачев, ободренный победою и усилясь захваченными пушками, встретил нападение сильным огнем. Перед батареей простиралось болото, через которое Михельсон должен был перейти, между тем как Харин и Дуве старались обойти неприятеля. Михельсон взял батарею; Дуве на правом фланге отбил также две пушки. Мятежники, разделись на две кучи, пошли – один навстречу Харину и, остановясь в теснине за рвом, поставили батареи и открыли огонь; другие старались заехать в тыл отряду. Михельсон, оставя Дуве, пошел на подкрепление Харина, проходившего через овраг под неприятельскими ядрами. Наконец, после пяти часов упорного сражения, Пугачев был разбит и бежал, потеряв восемьсот человек убитыми и сто восемьдесят взятыми в плен. Потеря Михельсона была незначительна. Темнота ночи и усталость отряда не позволили Михельсону преследовать Пугачева.
Переночевав на месте сражения, перед светом Михельсон пошел к Казани. Навстречу ему поминутно попадались кучи грабителей, пьянствовавших целую ночь на развалинах сгоревшего города. Их рубили и брали в плен. Прибыв к Арскому полю, Михельсон увидел приближающегося неприятеля: Пугачев, узнав о малочисленности его отряда, спешил предупредить его соединение с городским войском. Михельсон, послав уведомить о том губернатора, встретил пушечными выстрелами толпу, кинувшуюся на него с воплем и визгом, и принудил ее отступить. Потемкин подоспел из города с гарнизоном. Пугачев перешел через Казанку и удалился за пятнадцать верст от города, в село Сухую Реку. Преследовать его было невозможно: у Михельсона не было и тридцати годных лошадей.
Казань была освобождена. Жители теснились на стене крепости, дабы издали взглянуть на лагерь своего избавителя. Михельсон не трогался с места, ожидая нового нападения. В самом деле, Пугачев, негодуя на свои неудачи, не терял, однако ж, надежды одолеть наконец Михельсона. Он отовсюду набирал новую сволочь, соединяясь с отдельными своими отрядами, и 15 июля утром, приказав прочесть перед своими толпами манифест, в котором объявлял о своем намерении идти на Москву, устремился в третий раз на Михельсона. Войско его состояло из двадцати пяти тысяч всякого сброду. Многочисленные толпы двинулись тою же дорогою, по которой уже два раза бежали. Облака пыли, дикие вопли, шум и грохот возвестили их приближение. Михельсон выступил противу их с осьмьюстами карабинер, гусар и чугуевских казаков. Он занял место прежнего сражения близ Царицына и разделил войско свое на три отряда, в близком расстоянии один от другого. Бунтовщики на него бросились. Яицкие казаки стояли в тылу и по приказанию Пугачева должны были колоть своих беглецов. Но Михельсон и Харин с двух сторон на них ударили, опрокинули и погнали. Все было кончено в одно мгновение. Напрасно Пугачев старался удержать рассыпавшиеся толпы, сперва доскакав до первого своего лагеря, а потом и до второго. Харин живо его преследовал, не давая ему времени нигде остановиться. В сих лагерях находилось до десяти тысяч казанских жителей всякого пола и звания. Они были освобождены. Казанка была запружена мертвыми телами; пять тысяч пленных и девять пушек остались в руках у победителя. Убито в сражении до двух тысяч, большею частию татар и башкирцев. Михельсон потерял до ста человек убитыми и ранеными. Он вошел в город при кликах восхищенных жителей, свидетелей его победы. Губернатор, измученный болезнию, от которой он и умер через две недели, встретил победителя за воротами крепости в сопровождении дворянства и духовенства. Михельсон отправился прямо в собор, где преосвященный Вениамин отслужил благодарственный молебен.