此次，伊凡雷帝在前線集中了大量精銳部隊，總數高達人，還有上百門大炮，后期兵力增加到15萬人。
喀山汗國只有2萬人，他們的領袖葉底格爾采用了正確的防御戰略。除了留下主力固守城市以外，留下一部精銳騎兵和部隊在外機動，襲擊敵人補給線和零散部隊，等待時機反攻。
同時，葉底格爾向另一個名義上的宗主國克里米亞汗國求助。
克里米亞汗國對于救援喀山比較猶豫，只派出了一支小部隊，在圖拉附近就被早有準備的伊凡雷帝擊敗。
由此，喀山汗國只能靠自己了。
8月23日，伊凡雷帝的主力連續擊破喀山汗國外圍防御陣地，到達喀山城下。
9月3日，增兵到10萬的沙俄軍隊，團團包圍了喀山城。
喀山城是一座建立在山丘上的城市，有一條護城河和堅固的城墻。沿著長槍有數十個炮樓，每個炮樓都有可以射擊的槍眼。
不過，喀山城最大的問題是，它并不是磚石結構的城墻，而是木制，不夠堅固，很容易被焚毀。
葉底格爾征發了全城的老百姓，湊齊了5萬人一半都是普通民眾，只能起到輔助作用和70門老式大炮。
伊凡雷帝命令部隊進行挖掘作業，通過挖掘地道來躲避城墻上敵人的射擊和射箭，盡量接近城墻。同時，200門大炮開始晝夜不停地轟擊城墻和城內，試圖將他們摧毀。伊凡雷帝還下令修建了一座巨型攻城塔，將輕型火炮放進去，居高臨下炮擊，目的是削弱城內老百姓的士氣。
這些戰術都不怎么成功。
喀山城有護城河，沙俄士兵挖掘時膽戰心驚，唯恐突然有河水灌入，將他們全部淹死。
雖然沙俄士兵一度將地道挖掘到距離城墻僅有100到150米，如何繞過護城河就是很大問題，只能暫時停工。即便如此，這么近的距離，沙俄的重型火繩槍和輕型火炮都可以殺傷城墻上的目標，喀山守軍非常不利。
為此，喀山守軍組成了敢死隊，他們乘著夜色爬到城墻下，游過護城河攻擊對岸的俄軍，摧毀他們的火炮和火繩槍。
高大的攻城塔被證明無用，這里是山丘地形，喀山城內的箭塔更高，還可以不斷增高。
火炮轟擊城墻倒是有一定作用，導致喀山木制城墻不斷破損。不過，木制城墻的一個優勢就是可以不斷用木材修復。
此時伊凡雷帝做出了決定性的一個軍事部署。在西方工程師的介紹下，沙俄軍隊用炸藥炸毀了喀山城內所有水井的地下水道。于是，喀山城內的居民失去了水源，只能冒著生命危險去護城河打水，這會遭到沙俄軍隊的密集射擊。斷水導致守軍戰斗力大減，只能勉強支持。