Неодходимость и возможность взятия Казани стало следствием постепенного усиления Московского княжества, сумевшего консолидировать русские земли и не желавшего мириться с присутствием неспокойного соседа на своих южных границах, к тому же лояльного Османской империи. Борьба с Казанским ханством началась уже в 60-х годах XV века, но имела переменный успех. Обе стороны в этой борьбе объективно преследовали свои цели. Каждая смена династии в ханстве сопровождалась разорительными нападениями казанцев на русские земли. Так, в 1521, после перехода власти в ханстве от золотоордынской к крымской династии, крымцы и казанцы совершили опустошительный набег на Российское государство, дойдя до самой Москвы.
Кроме того, усиление Османской империи в Северном Причерноморье и на Кавказе способствовало ослаблению фактически вассальной зависимости Казанского ханства от Москвы, что было чревато новым витком османской экспансии в Европу. Помимо этого, русские пленные, захваченные во время татарских набегов, продолжали продаваться татарами как сакалиба (славянские рабы) в рабство в Крым, Восточные страны и Средиземноморье. К войне с Казанью молодого царя подталкивали и экономические причины, в первую очередь стремление беспрепятственно осуществлять торговлю по всему пространству волжского пути.
Русско-казанские отношения резко обострились в первой половине XVI века в связи со сменой династии в Казани. В 1534-1545 казанцы ежегодно совершали опустошительные набеги на восточные и северо-восточные владения Русского царства. Тем не менее, в Казани имела большое влияние так называемая русская партия, формировавшаяся из представителей мордвы и других народов.
При Василии III c целью защиты от казанских татар в 1524 русскими была построена крепость Васильсурск, а также укреплён Темников — оплот русской власти на правом берегу Волги. В 1545-1552 Иоанн Грозный организовал так называемые Казанские походы. Эти кампании оказались дорогостоящими и безрезультатными мероприятиями, так как русские базы (Нижний Новгород, Арзамас) были отдалены от расположения главных русских сил.
В связи с этим царское правительство испытывало острую необходимость в базе, расположенной в непосредственной близости от Казани. Усилиями русского военного инженера Ивана Выродкова в 1551 под фактически осаждённой Казанью была возведена деревянная крепость Свияжск, ставшая главным опорным пунктом для взятия Казани русскими войсками. Крепость была собрана за 4 недели из деталей, заготовленных в районе Углича и сплавленных по Волге. Впоследствии Иван Выродков руководил операциями по осаде самого города, соорудив за одну ночь 13-метровую осадную башню ручной сборки.
Большую помощь в успехе предстоящей кампании оказали чуваши, в 1546 совместно с горными марийцами, поднявшими восстание против казанских властей. Чувашские послы Мехмед Бозубов и Ахкубек Тогаев обратились к царю с просьбой о принятии их в российское подданство, на что царское правительство незамедлительно дало согласие.
В отличие от предыдущих осад, к предстоящей осаде русские войска готовились планомерно, планируя даже зимовать под стенами города. Войска готовились к войне с весны, а передовые отряды русских войск под предводительством воеводы Александра Горбатого уже разместились в Свияжске. 16.06.1552 после большого смотра царские войска выступили из Москвы к Коломне. С целью помешать русским войскам в их продвижении к Казани крымские отряды, усиленные янычарами и артиллерией, неожиданно напали на русские владения под Тулой, однако их атака была отражена, а вскоре арьергарды крымцев были разбиты русскими на реке Шиворонь.
Неудача крымцев во многом объяснялась тем, что хан Девлет-Гирей рассчитывал, что русские войска уже находятся под Казанью, и не был подготовлен к встрече с огромным русским войском. Русские войска двигались к Казани несколькими отрядами. Сам царь во главе крупного войска выступил из Коломны к Владимиру. Из Владимира войско прибыло в Муром, где с ним соединились союзные татарские отряды под руководством Шах-Али хана (Шигалей), выступившего из Касимова. Численность татарских войск, пришедших с Шигалеем, по неподтвержденным составляла около 30 тыс. человек. Среди них находилось два царевича из Астраханского ханства.
Русские войска преодолели путь до Свияжска за пять недель. Много воинов погибло в пути из-за нехватки питьевой воды и аномально высокой жары. В Свияжске царские войска провели неделю, ожидая прибытия других отрядов. Ещё раньше царя в Свияжск прибыла "судовая" рать, двигавшаяся на судах по Волге.
15 августа русские войска по приказу царя в боевом порядке переправились через Волгу на луговую сторону на специально приготовленных для этого боевых судах. Услышав о передвижениях русских войск, казанский хан Едигер выступил навстречу царским войскам во главе около 10 тыс. казанских воинов. Ертаульный и передовой полки сумели сдержать натиск противника и в 3-часовом кровопролитном сражении смогли опрокинуть численно превосходящие казанские войска и обратить их в бегство. Благодаря этому русские войска имели возможность в течение недели беспрепятственно переправляться на другой берег Волги, не опасаясь возможных препятствий со стороны защитников города.
16 августа к Иоанну Грозному перешёл служить казанский мурза Камай Хусейнов с семью казаками, сообщивший сведения о состоянии татарского войска. 17 августа царь переправился через Волгу и во главе своих войск расположился на Арском поле. Там же царь произвёл разделение своих войск для организации предстоящей осады.
В осаде было задействовано огромное количество войск и орудий. Русские войска, насчитывавшие 150 тыс. человек, имели численный перевес над осаждёнными (33 тыс. человек). Кроме того, русские имели многочисленную артиллерию. Действия пушкарей и инженеров имели огромное значение для завоевания Казани, а также для более поздних походов Иоанна IV, таких как, например, Ливонская война.
Создание новых лафетов и увеличение маневренности пушек позволили формировать большие артиллерийские поезда, и Иоанну IV удалось для осады Казани собрать примерно 150 пушек. Многие артиллеристы прошли подготовку на пушечном дворе в Москве, где могли наблюдать за работой пушкарей-литейщиков. В 1547 году артиллерия стала независимым родом войск царской армии, получившим название наряд.
В то же время строительство траншей и палисадов вокруг Казани потребовало большого труда. Русская армия была представлена всеми родами войск: конницей, стрельцами, татарскими отрядами хана Шигалея, мордовскими и черкесскими воинами, а также иностранными наёмниками: немцами, итальянцами, поляками. Дворянская конница составляла главную силу царского войска. По данным летописей, в осаде участвовало 10 тыс. мордовских воинов.
Город был окружён 23 августа, все попытки казанцев прорвать кольцо успеха не имели. Напротив двух Ногайских ворот разместился полк правой руки хана Шигалея, передовой полк татар во главе с двумя астраханскими царевичами разместился напротив Елбугиных и Кебековых ворот, ертаульный полк — напротив Муралиевых ворот, полк левой руки — напротив Водяных ворот, сторожевой полк — напротив Царских ворот. Русские ратники начали строительство тур (осадных башен) вокруг осаждённого города. Туры были построены против всех городских ворот. Туры строились под руководством итальянских инженеров "фряжским обычаем" с тремя "боями". В строительстве принимал участие и русский инженер — Иван Выродков.
Вскоре после прибытия царских войск на Арское поле разгорелось новое сражение между казанцами, наступавшими со стороны леса, и русскими, расположившимися в поле. Посланные против казанцев воеводы сумели опрокинуть противника, и, преследуя отступающих казанцев по лесу, захватили пленных.
На второй день после прибытия царских войск под Казань по распоряжению Иоанна IV в город были послана делегация послов с предложениями о мире. В случае капитуляции жителям гарантировалась жизнь, неприкосновенность имущества, а также возможность свободного исповедования мусульманской веры и возможность свободного выбора места проживания. Казанского хана царь призывал поступить к нему на службу, став его вассалом. Требования делегации были отклонены, а сами послы с позором были изгнаны из города. Одновременно с этим осаждённые запросили помощи у воинственных ногайцев. Тем не менее, правители Ногайской Орды, не желая портить отношения с Москвой, в помощи казанцам отказали.
26 августа казанцы предприняли неудачную вылазку из города. Под стенами Казани разыгрался упорный бой. Отбив атаку, стрельцы сумели обнести туры окопами, а также разместить на них более мощные пушки. В отдельных местах между турами располагался тын, построенный под руководством Ивана Выродкова. Вскоре, 27 августа, начался артиллерийский обстрел Казани. Казанцы не обладали такой мощной артиллерией, в связи с чем казанская артиллерия понесла серьёзные потери. 4 сентября русские устроили взрыв подкопа у Муралеевых ворот под источником воды внутри города. Несмотря на успех операции, цель достигнута не была, так как в Казани располагались многочисленные водоёмы, из которых жители могли добывать питьевую воду. Тем не менее, в городе, лишённом важного источника питьевой воды, начались болезни.
6 сентября русские войска под командованием князя Андрея Горбатого предприняли поход на Арск. Поход был спровоцирован частыми набегами черемисов, причинявших большие неприятности осаждавшим. Значительную часть царских войск составляли пешие стрельцы и темниковская мордва. Арск был взят, и царские войска установили контроль над всей Арской стороной, захватив немало пленных и скота.
Одновременно с этим в связи с сильными ливнями и бурями затонуло множество судов с припасами, лишив тем самым русские войска значительной части запасов продовольствия.
Неожиданным приятным "сюрпризом" для русских войск стало появление под осаждённой Казанью целой армии донских казаков под командой атамана Сусара Фёдорова, предложивших московскому царю свои услуги. Однако, само появление казаков сперва вызвало большой переполох, поскольку многочисленное казачье войско подошло ночью и, став лагерем, разожгло множество костров для обогрева и приготовления пищи.
Появление в темноте большого количества огней свидетельствовало о появлении значительной военной силы и вызвало беспокойство, как в лагере осаждённых, так и в лагере осаждавших. Последние были вынуждены скрытно послать под покровом ночи лазутчиков для выяснения принадлежности неизвестной военной силы. Возвратившиеся лазутчики ещё больше напугали русское войско, рассказав о том, что они увидели, поскольку сам вид казаков представлял на тот момент, по меньшей мере, экзотическое (а ночью — ещё и довольно страшное) зрелище. Дело в том, что отправляясь в поход, казаки специально набили в донских плавнях всякой птицы и "украсили" своё одеяние, нашив на него во множестве добытое птичье перо.
Появление казаков значительно продвинуло ход осады, поскольку с их появлением русское войско стало активно применять тактику ведения минно-взрывных подкопов под стены осажденного города. Есть предание, что минными подкопами руководили английский инженер Бутлер и литвин Розмысл (настоящее имя Эразм). Эта тактика и принесла впоследствии желаемый успех.
Русские войска вели тщательную подготовку к решительному штурму. К 30 сентября туры были придвинуты практически ко всем воротам города. Между крепостной стеной и турами оставался лишь ров. На многих участках рвы были засыпаны землёй и лесом. Русские возвели через них множество мостов. Были сделаны новые подкопы.
Но и осаждённые "не сидели, сложив руки". Они неоднократно предпринимали вылазки, нападая на туры. В ходе одной из таких вылазок казанцам удалось обратить в бегство немногочисленную охрану туров. Другая вылазка, предпринятая осаждёнными у Збойловских ворот, оказалась менее удачной. Ещё одна (последняя) вылазка была наиболее масштабной. Казанские воины сражались врукопашную на мостах и у ворот.
30 сентября был взорван подкоп под стены, стена рухнула. Были подожжены городская стена, ворота и мосты. Однако, атака была отбита. Ценой больших потерь осаждавшим удалось закрепиться в башне, стенах и у Арских ворот. 2 следующих дня русские войска под руководством воевод Михаила Воротынского и Алексея Басманова ожидали противника. В ожидании решительного боя русские загородились крепкими щитами.
1 октября защитникам города был предоставлен ещё один шанс сложить оружие. Но они вновь отказались. Новый подкоп и приступ состоялись 2 октября. В пролом на приступ первыми ринулись казаки и бились отважно. Однако, изнурённые длительной осадой и упорным сопротивлением осажденных, многие русские воины шли на приступ неохотно, многие притворялись мёртвыми или ранеными, о чём свидетельствует А. Курбский в своей "Истории князя великого Московского". Но, когда русские войска ворвались в город и в Казани разгорелись ожесточённые бои, многие из "раненых" и даже "мертвых" "ожили" и тоже ринулись в город с целью мародёрства. Этим не замедлили воспользоваться защитники, ставшие теснить тех из нападавших, кто не отвлекался на мародерство, но уже порядком утомился. Это вызвало панику среди мародеров.
Русское командование приказало убивать паникёров и мародёров на месте. Эта мера смогла остановить панику, и вскоре русские вновь перешли в наступление. Основная битва внутри города произошла у мечети ханского дворца. Обороной мечети руководил имам Кул Шариф, героически сражавшийся и погибший в бою с превосходившими русскими войсками вместе со своими учениками. Казань пала, хан Едигер был захвачен в плен, его воины казнены, а часть лояльных казанцев была переселена за стены посада, на берега озера Кабан, положив основу Старо-татарской слободы Казани..
После взятия Казани всё Среднее Поволжье было присоединено к России. Кроме татар в составе России оказались, часто добровольно, многие другие народы, до этого входившие в состав Казанского ханства (чуваши, удмурты, марийцы, башкиры). Этот поход также стал первой сложной военной кампанией, которую объединённые русские княжества провели вне собственных границ.
За добровольное и героическое участие в штурме Казани царём была дарована жалованная грамота донским казакам на "реку Дон со всеми притоками" в вечное пользование, подтверждающая независимый статус донского казачества.
В память о взятии Казани и победе над Казанским ханством, которые случились именно в день Покрова Пресвятой Богородицы (1 октября по с.с) в 1561 в Москве на Красной площади был построен собор Покрова Пресвятой Богородицы, что на Рву (Покровский собор). В 1588 к собору была пристроена церковь Василия Блаженного, после чего всё строение получило разговорное название — "Храм Василия Блаженного".