С военно-технической стороны во время демонстраций-учений русскими воеводами были выявлены основные проблемы армии: низкая скорость мобилизации (собирались русские отряды медленно), слабый учет погодных факторов (из-за ранней весны в 1550 году была потеряна, утоплена часть пушек), несогласованность действий отдельных подразделений. Ошибки были исправлены в 1551 году.
В 1551 году Казань была блокирована постройкой крепости Свияжск выше Казани, набег ногайцев, шедших на помощь городу, с легкостью отбит, и татарам были предложены почетные условия мира на основании возврата к власти династии Али. Казань была занята без боя, в ней был поставлен небольшой русский гарнизон, царевич Утямыш-Гирей и регентша Сююмбике взяты в плен, крымцы из частей казанского гарнизона были казнены.
Но, несмотря на долгие переговоры, курултай, принявший прорусские решения, обмен посольствами, последовал отказ от сотрудничества с русскими части татар-индепендистов, которые ожидали помощь и от турок, и от крымцев, и от ногайцев. Они спровоцировали мятеж. Русский гарнизон в Казани был вырезан. Казанцы пригласили на свой престол астраханского царевича.
Тогда русские приступили к жесткой осаде города. В окрестностях Казани была проведена продовольственная зачистка с целью лишить татар провианта, в 1552 году основные укрепления и водопровод Казани были взорваны. Шансов на удержание города у татар не было. Кроме того, у русских, видимо, хорошо работала тактическая разведка, а потому основные направления ударов по деблокированию Казани со стороны крымцев, ногайцев и астраханцев были хорошо известны. Заранее выставлены заслоны. Все попытки прорыва к Казани были отражены. Под Тулой разбиты пытавшиеся деблокировать Казань крымцы Девлет-Гирея, а под Арском — уничтожен отряд ногайского бия Епанчи. Неплохо работала и русская стратегическая разведка. Купцы и религиозные деятели из Константинополя сообщили, что султан не окажет поддержки казанским и крымским татарам.
Казань была взята в очередной раз. Была проведена жесткая этническая и религиозная зачистка города. Казань стала преимущественно русским городом. Уничтожение ногайцев под Арском и резня нелояльных татар в Казани были традиционными приемами устрашения населения, которыми русская армия прекрасно владела со времен Ивана Калиты. В город был назначен русский наместник, князь Александр Горбатый-Шуйский, который в силу родственных связей имел отдаленное право называться «царем казанским».
