19 августа началась осада. А вскоре сильная буря разбила на Волге много судов и потопила запасы. Царь немедленно потребовал доставить новые, объявляя от твердом намерении зимовать у Казани.
Летописцы свидетельствуют о беспрерывном участии царя в осадных мероприятиях. (Известный «правдолюбец» Курбский, конечно же, утверждает обратное.) Царь ездит вокруг города, определяя места для постройки укреплений. Русские воины ставят туры, снабженные пушками. Вскоре Казань полностью окружена русскими фортификационными сооружениями. Все строительство происходит в условиях активной обороны казанцев, которые постоянно делают вылазки и пытаются уничтожить русские туры. Отлично проявляют себя стрельцы, которые не дают противнику вести обстрел со стен.
29 августа русские пушки начали бить по городским укреплениям. Русские перегородили плотиной и отвели от города Казанку. На Арском поле они поставили башню в 13 метров, с которой вели огонь десять пушек.
Подземные ходы, вырытые казанцами, проходили под воротами и земляными насыпями у городских ворот (тарасами). С их помощью осажденные совершали беспрестанные вылазки против осаждающих.
Со стороны Арского поля налетела конница князя Япанчи, но была отражена. Вслед за этим начались синхронные нападения Япанчи и казанского гарнизона, сильно утомившие русское войско. Видимо, городскому гарнизону и войску Япанчи удалось наладить какой-то вид оптической связи. Эти нападения продолжались до тех пор, пока конница Япанчи не была полностью разгромлена 30 августа.
С 31 августа русские саперы под руководством немецкого розмысла (инженера) начали рыть подкопы под городские стены. 4 сентября русские взорвали казанский подземный ход возле Муралеевых ворот, по которому вода доставлялась в город. Взрыв уничтожил также часть стены и русские отряды на время ворвались в город, нанеся осажденным большой урон.
Затем последовала удачная вылазка казанцев. Они прошли подземными ходами и напали на русские туры, стоящие перед рвом, у Арской башни и царских ворот. При этом был ранен кн. М. Воротынский. Одновременно ногаи и казанцы сделали вылазку из Збойлевых ворот на туры передового полка и царского полка.
По приказу Ивана под тарасы были сделаны подкопы и 30 сентября они были взорваны. Туры были передвинуты вплотную к Царским, Арским и Аталыковым воротам.
Казанцы вышли из города и началась ожесточенная схватка, царь появился у стен и русские войска стали наступать, вдавили противника в ворота, стрельцы захватили Арскую башню. Часть большого полка М. Воротынского вошла в город, но не будучи подержана другим воеводами, отошла.