Пока одни воеводы зачищали Арский лес, другие продолжали осаду города. 4 сентября военные инженеры Ивана IV сделали подкоп под башню около Муравлевых ворот, где находился потайной ход на берег реки Казанки. Здесь били ключи, из которых защитники брали воду. В подкоп заложили двадцать бочек пороху и взорвали, множество народу погибло от разлетевшихся во все стороны камней и бревен. В крепости начались проблемы с водой, что значительно ухудшило положение казанцев. Всё это время не прекращались обстрелы города, Арские ворота были разрушены до основания. Из-за непрерывной стрельбы русских пушкарей защитники не могли находиться на стенах, были вынуждены оставлять позиции и прятаться в укрытиях. Но пушки свои оставляли заряженными и как только русские приближались к городу, возвращались на стены и вели огонь по врагу. По приказу царя дьяк Иван Выродков выстроил осадную башню высотой в тринадцать метров. На башню поднялись стрельцы, «и взнесли на нее много наряду, полуторные пищали и затинные» (64, 211). В результате обстрелов с этой башни в Казани погибло 10 000 человек, включая мирное население (11, 51). Воевода Воротынский уверенно руководил наступлением на город, на его участке осадные туры всё ближе и ближе приближались к крепостным стенам. Татары пытались этому помешать, прорывали в земле ходы и потайные лазы, незаметно подбирались к вражеским позициям и вступали с русскими в рукопашные схватки. Бои отличались крайним ожесточением, в одной из схваток был ранен Михаил Воротынский, от неминуемой смерти воеводу спасли крепкие доспехи. В этом сражении получил рану в лицо воевода Петр Морозов, был ранен в грудь князь Юрий Кашин. Большой бой произошел у Збойливых ворот, казанцы и ногайцы пошли на вылазку и атаковали ертоул, но были отбиты пищальным огнем стрельцов. В пятницу 30 сентября царские инженеры привели в действие заложенные в подкопах заряды: «и взорвало тарасы с людми Казаньскими на высоту великую, и с высоты бревна падоша в город и побиша множество Татар» (64, 213). Атака на город началась спонтанно, русские ударили по Арским, Тюменским, Алатыковым и Царевым воротам. Татары ринулись в контратаку, рукопашные схватки закипели во рву, на мостах и в городских воротах. Русские пушкари продолжали вести стрельбу, превращая в развалины казанские укрепления. Войска князя Михаила Воротынского и окольничего Алексея Басманова поднялись на стены в районе Арских ворот и прорвались на улицы города. Воевода послал к царю за подкреплениями, чтобы развить успех, но царь Иван приказал ратникам отступить. Трудно сказать, чем было вызвано это решение. Возможно, Иван IV решил, что войско не готово к генеральному штурму, проявил осторожность и решил перестраховаться. Как бы там ни было, реальный шанс захватить Казань был упущен. Воротынский был вынужден отвести войска с городских улиц: «Воином же не хотяше отоити от поганых, но с нуждею отсылаше их» (64, 213). Дети боярские, стрельцы и казаки закрепились на захваченном участке стены и приготовились к отражению вражеских атак. Люди Воротынского и Басманова двое суток просидели на стенах, воины ждали, когда полки приготовятся к штурму. Горели мосты у Царских, Алатыковых и Ногайских ворот, пушки непрестанно били по городу. Беспрерывный обстрел своё дело сделал, пушкари «збиша до основания стену градскую» (64, 214). Защитники города напротив проломов сооружали деревянные укрепления, возводили насыпи и рыли траншеи. 1 октября царь приказал готовиться к приступу, ратники заваливали деревом и землей городской ров, изготавливали мостки для штурма. Попытка Ивана IV убедить казанцев сложить оружие успехом не увенчалась, битва стала неизбежной. В атаке на город должны были участвовать две трети русской рати, третья часть оставалась в резерве, «для охраны благополучия царя» (11, 51).
