Татары с отчаянностью обреченных обстреливали русское войско из пушек и пищалей, лили на штурмующих кипящей смолой, сбрасывали на них бревна. Однако со стороны Арского поля, где в результате взрыва подкопа была разрушена часть крепостной стены, русским удалось ворваться в город. На улицах завязался рукопашный бой. Татары предприняли отчаянную контратаку и оттеснили русских воинов обратно к стенам. В этот момент Иван ввел в бой половину царского полка, который отбросил татар к ханскому дворцу. Почти все татары были перебиты или пленены. Лишь отряд в 6 тысяч человек переправился через Казанку и ушел в лес. При этом значительная часть прорвавшихся была уничтожена русскими войсками, обеспечивавшими штурм. В результате взятия Казани и разгрома Казанского ханства Москва установила контроль над обширным регионом Поволжья.

Казанские походы русского воинства дали существенный импульс эгоразвитию. Именно во время этих походов артиллерия была выделена в отдельный род войск, появились инженерные войска.