此次，伊凡雷帝在前线集中了大量精锐部队，总数高达人，还有上百门大炮，后期兵力增加到15万人。
喀山汗国只有2万人，他们的领袖叶底格尔采用了正确的防御战略。除了留下主力固守城市以外，留下一部精锐骑兵和部队在外机动，袭击敌人补给线和零散部队，等待时机反攻。
同时，叶底格尔向另一个名义上的宗主国克里米亚汗国求助。
克里米亚汗国对于救援喀山比较犹豫，只派出了一支小部队，在图拉附近就被早有准备的伊凡雷帝击败。
由此，喀山汗国只能靠自己了。
8月23日，伊凡雷帝的主力连续击破喀山汗国外围防御阵地，到达喀山城下。
9月3日，增兵到10万的沙俄军队，团团包围了喀山城。
喀山城是一座建立在山丘上的城市，有一条护城河和坚固的城墙。沿着长枪有数十个炮楼，每个炮楼都有可以射击的枪眼。
不过，喀山城最大的问题是，它并不是砖石结构的城墙，而是木制，不够坚固，很容易被焚毁。
叶底格尔征发了全城的老百姓，凑齐了5万人（一半都是普通民众，只能起到辅助作用）和70门老式大炮。
伊凡雷帝命令部队进行挖掘作业，通过挖掘地道来躲避城墙上敌人的射击和射箭，尽量接近城墙。同时，200门大炮开始昼夜不停地轰击城墙和城内，试图将他们摧毁。伊凡雷帝还下令修建了一座巨型攻城塔，将轻型火炮放进去，居高临下炮击，目的是削弱城内老百姓的士气。
这些战术都不怎么成功。
喀山城有护城河，沙俄士兵挖掘时胆战心惊，唯恐突然有河水灌入，将他们全部淹死。
虽然沙俄士兵一度将地道挖掘到距离城墙仅有100到150米，如何绕过护城河就是很大问题，只能暂时停工。即便如此，这么近的距离，沙俄的重型火绳枪和轻型火炮都可以杀伤城墙上的目标，喀山守军非常不利。
为此，喀山守军组成了敢死队，他们乘着夜色爬到城墙下，游过护城河攻击对岸的俄军，摧毁他们的火炮和火绳枪。
高大的攻城塔被证明无用，这里是山丘地形，喀山城内的箭塔更高，还可以不断增高。
火炮轰击城墙倒是有一定作用，导致喀山木制城墙不断破损。不过，木制城墙的一个优势就是可以不断用木材修复。
此时伊凡雷帝做出了决定性的一个军事部署。在西方工程师的介绍下，沙俄军队用炸药炸毁了喀山城内所有水井的地下水道。于是，喀山城内的居民失去了水源，只能冒着生命危险去护城河打水，这会遭到沙俄军队的密集射击。断水导致守军战斗力大减，只能勉强支持。
由于断水，8月30日，城内守军开始了一系列反击作战，这恰好中了伊凡雷帝的计谋。
城外修建了大量地道和战壕，守军刚刚冲出来就会遭到射击。即便他们能够突破战壕，还会遭到大量沙俄步兵和骑兵的近距离砍杀。喀山守军数量只是沙俄军队的五分之一，这些攻击只是徒增伤亡而已。
喀山城内十分困难，在城外的游击队部队主要是骑兵，开始对沙俄军队发动大规模攻击。然而，沙俄的骑兵也很多，尤其是贵族骑兵很多也是突厥人，对喀山骑兵的一切都非常了解。依靠兵力的优势，沙俄骑兵连续胜利，喀山骑兵连续攻击数日后，因伤亡过大被迫撤退。
到了9月8日，喀山城内越来越危险，城墙已经残破不堪，几乎无法有效防御了。
喀山将领雅潘查接到了城内紧急救援的请求，焦急万分。他只有三四千骑兵，无力同沙俄大军对抗。之前他连续进行破坏作战，袭击沙俄的补给线和零散部队，杀死上千敌人，引起伊凡雷帝的震怒。
此次明知道不能进行决战，但喀山守军已经非常困难，勇敢的雅潘查的骑兵们决定像他们的突厥祖先一样，牺牲自己为同胞争取一些战场上的优势。
雅潘查率领4000名骑兵突然猛攻沙俄攻城部队。仓促之下，沙俄集中高达2万大军同雅潘查决战。只是，攻城部队高达15万人，这区区2万人算不了什么。
而雅潘查率领4000骑兵以传统的方式作战，在沙俄炮兵的轰击下进行激烈近战。双方战斗了一个下午，雅潘查的骑兵无法突破沙俄步兵的防线，反而遭到火绳枪的反复射击。随后，沙俄骑兵全线追击，雅潘查的部队几乎全军覆没，自己也被哥萨克骑兵斩下了首级。
雅潘查骑兵的牺牲没有改变喀山的局势，即便攻城部队减少2万人，守军仍然无法获胜或者突围。
即便如此，守军仍然坚守了整整1个多月。到了10月11日，喀山的气温开始明显下降，冬季快要来了。
伊凡雷帝明白自己没有冬季作战的条件，务必要在10月结束战斗。
在伊凡雷帝的命令下，10月11日沙俄军队发动了总攻。喀山城墙已经有几处较大的缺口，总攻开始以后，沙俄军队以火炮和火绳枪压制城墙缺口附近的敌人，随后使用大量重步兵冲进，试图攻入城内。
喀山守军仍然坚持射箭和开枪，击毙了大量攻城士兵。少量沙俄士兵冲入城内，立即遭遇近距离肉搏，全部被杀死。
一天的猛攻并没有进展，伊凡雷帝当晚召集将领，恼怒地下令第二天务必胜利，不然要严惩所有将领。
这些将领张皇失措，都认为1天内攻入城内是不可能的。此时，一个英国工程师提出了决定性的建议。英国人发现喀山城东南段的城墙已经存在整体性崩塌的可能性。由于长期激战，城墙反复维修，早已残破不堪。在英国工程师的建议下，沙俄士兵用了一个晚上，将数百桶炸药埋设到城墙附近。
第二天黎明，炸药突然引爆，果然长达数百米的木制城墙全部崩塌。喀山守军无法在短时间内修复这么长的城墙，完全措手不及。沙俄集中主力部队，源源不断地从缺口向城里冲击，很快就冲入数千人。喀山守军能做的就是坚持巷战到黑夜，随着叶底格尔被俘虏，城市彻底被沙俄攻占。