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。