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，後期兵力增加到15萬人。
喀山汗國隻有2萬人，他們的領袖葉底格爾采用了正確的防禦戰略。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裡米亞汗國求助。
克裡米亞汗國對於救援喀山比較猶豫，隻派出了一支小部隊，在圖拉附近就被早有準備的伊凡雷帝擊敗。
由此，喀山汗國隻能靠自己了。
8月23日，伊凡雷帝的主力連續擊破喀山汗國外圍防禦陣地，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牆。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，它並不是磚石結構的城牆，而是木製，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，隻能起到輔助作用）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牆上敵人的射擊和射箭，儘量接近城牆。同時，101novel.com0門大炮開始晝夜不停地轟擊城牆和城內，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。
這些戰術都不怎麼成功。
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牆僅有100到150米，如何繞過護城河就是很大問題，隻能暫時停工。即便如此，這麼近的距離，沙俄的重型火繩槍和輕型火炮都可以殺傷城牆上的目標，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牆下，遊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，這裡是山丘地形，喀山城內的箭塔更高，還可以不斷增高。
火炮轟擊城牆倒是有一定作用，導致喀山木製城牆不斷破損。不過，木製城牆的一個優勢就是可以不斷用木材修複。
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。於是，喀山城內的居民失去了水源，隻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。斷水導致守軍戰鬥力大減，隻能勉強支持。
由於斷水，8月30日，城內守軍開始了一係列反擊作戰，這恰好中了伊凡雷帝的計謀。
城外修建了大量地道和戰壕，守軍剛剛衝出來就會遭到射擊。即便他們能夠突破戰壕，還會遭到大量沙俄步兵和騎兵的近距離砍殺。喀山守軍數量隻是沙俄軍隊的五分之一，這些攻擊隻是徒增傷亡而已。
喀山城內十分困難，在城外的遊擊隊部隊主要是騎兵，開始對沙俄軍隊發動大規模攻擊。然而，沙俄的騎兵也很多，尤其是貴族騎兵很多也是突厥人，對喀山騎兵的一切都非常了解。依靠兵力的優勢，沙俄騎兵連續勝利，喀山騎兵連續攻擊數日後，因傷亡過大被迫撤退。
到了9月8日，喀山城內越來越危險，城牆已經殘破不堪，幾乎無法有效防禦了。
喀山將領雅潘查接到了城內緊急救援的請求，焦急萬分。他隻有三四千騎兵，無力同沙俄大軍對抗。之前他連續進行破壞作戰，襲擊沙俄的補給線和零散部隊，殺死上千敵人，引起伊凡雷帝的震怒。
此次明知道不能進行決戰，但喀山守軍已經非常困難，勇敢的雅潘查的騎兵們決定像他們的突厥祖先一樣，犧牲自己為同胞爭取一些戰場上的優勢。
雅潘查率領4000名騎兵突然猛攻沙俄攻城部隊。倉促之下，沙俄集中高達2萬大軍同雅潘查決戰。隻是，攻城部隊高達15萬人，這區區2萬人算不了什麼。
而雅潘查率領4000騎兵以傳統的方式作戰，在沙俄炮兵的轟擊下進行激烈近戰。雙方戰鬥了一個下午，雅潘查的騎兵無法突破沙俄步兵的防線，反而遭到火繩槍的反複射擊。隨後，沙俄騎兵全線追擊，雅潘查的部隊幾乎全軍覆沒，自己也被哥薩克騎兵斬下了首級。
雅潘查騎兵的犧牲沒有改變喀山的局勢，即便攻城部隊減少2萬人，守軍仍然無法獲勝或者突圍。
即便如此，守軍仍然堅守了整整1個多月。到了10月11日，喀山的氣溫開始明顯下降，冬季快要來了。
伊凡雷帝明白自己沒有冬季作戰的條件，務必要在10月結束戰鬥。
在伊凡雷帝的命令下，10月11日沙俄軍隊發動了總攻。喀山城牆已經有幾處較大的缺口，總攻開始以後，沙俄軍隊以火炮和火繩槍壓製城牆缺口附近的敵人，隨後使用大量重步兵衝進，試圖攻入城內。
喀山守軍仍然堅持射箭和開槍，擊斃了大量攻城士兵。少量沙俄士兵衝入城內，立即遭遇近距離肉搏，全部被殺死。
一天的猛攻並沒有進展，伊凡雷帝當晚召集將領，惱怒地下令第二天務必勝利，不然要嚴懲所有將領。
這些將領張皇失措，都認為1天內攻入城內是不可能的。此時，一個英國工程師提出了決定性的建議。英國人發現喀山城東南段的城牆已經存在整體性崩塌的可能性。由於長期激戰，城牆反複維修，早已殘破不堪。在英國工程師的建議下，沙俄士兵用了一個晚上，將數百桶炸藥埋設到城牆附近。
第二天黎明，炸藥突然引爆，果然長達數百米的木製城牆全部崩塌。喀山守軍無法在短時間內修複這麼長的城牆，完全措手不及。沙俄集中主力部隊，源源不斷地從缺口向城裡衝擊，很快就衝入數千人。喀山守軍能做的就是堅持巷戰到黑夜，隨著葉底格爾被俘虜，城市徹底被沙俄攻占。
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