Новое правительство, которое возглавили оглан Худай-Кул и князь Нур-Али Ширин, вынуждено было пойти на переговоры с русскими властями и согласиться принять ханом угодного Москве «царя Шигалея» (Шах-Али). 11 августа 1551 г. казанские послы князь Бибарс Растов, мулла Касим и ходжа Али-Мерден согласились выдать русской стороне хана Утемыша и «царицу» Сююн-Бике, признать присоединение к России горной (западной) стороны Волги, запретить христианское рабство и принять ханом Шах-Али. 14 августа 1551 г. на поле в устье реки Казанки (в 7 км от Казани) состоялся курултай, на котором татарская знать и духовенство одобрили заключенный с Москвой договор. 16 августа состоялся торжественный въезд нового хана в Казань. Вместе с ним «для полону и иных для управных дел» приехали русские представители: боярин Иван Иванович Хабаров и дьяк Иван Григорьевич Выродков, которым на следующий день казанские власти передали 2700 наиболее видных русских пленных.

Правление нового казанского «царя» продолжалось недолго. Обезопасить себя и немногих своих сторонников Шах-Али мог только одним способом — пополнив казанский гарнизон за счет русских войск. Но, несмотря на шаткость положения, хан согласился ввести в Казань лишь 300 касимовских «князей и мырз и казаков» и 200 стрельцов. Между тем, вынужденное согласие Шах-Али выполнить ряд требований московского царя, в том числе выдать русских пленных, окончательно подорвало авторитет казанского правительства. Отказа Москвы на просьбы Шах-Али о возвращении под власть Казани присягнувших России жителей «Горной» половины ханства вызвало еще большее недовольство татар. Хан попытался силой подавить оппозицию, но начатые им репрессии лишь усугубили ситуацию. В связи с этим в Москве, где внимательно следили за развитием событий в Казани, стали склоняться к принятию предложения, высказанного ее сторонниками из числа казанской знати: об удалении Шах-Али и замене его русским наместником. Неожиданные действия хана, узнавшего о предстоящей передаче власти прямому представителю Москвы и решившего покинуть престол, не дожидаясь официального уведомления, спутало карты сторонников такой рокировки. 6 марта 1552 г. Шах-Али под предлогом поездки на рыбную ловлю покинул Казань. Захватив в качестве заложников сопровождавших его князей и мурз (всего 84 человека), он ушел под русскую защиту в Свияжск. Вскоре после этого в Казань были направлены московские воеводы, но вступить в город им не удалось. 9 марта 1552 г. подстрекаемые князем Исламом, князем Кебеком и мурзой Аликеем Нарыковым, горожане восстали. В ходе переворота к власти пришла партия сторонников возобновления войны с Россией во главе с князем Чапкуном Отучевым. Новым ханом стал астраханский царевич Едигер-Мухаммед, войска которого начали военные действия против русских отрядов, стараясь очистить от них Горную половину ханства. В одном из боев был взят в плен и казнен казачий атаман Северга, разделивший судьбу еще 180 русских воинов, большинство из которых оказались в плену во время переворота, произошедшего в Казани 9 марта 1552 г. Москва не могла смириться с крахом планов в отношении Казани и приступила к подготовке очередного похода на татар. Немедленно возобновилась блокада русскими отрядами-заставами казанских речных путей.

Подготовка нового похода на Казань началась ранней весной 1552 г. В конце марта — апреле в Свияжск из Нижнего Новгорода отправили осадную артиллерию, боевые припасы и продовольствие. В апреле-мае для участия в походе, в Москве и других городах собрали войско численностью 150 тысяч человек). К маю 1552 г. полки сосредоточились в Муроме (Ертоульный полк), Кашире (Правой руки полк), Коломне (Большой полк, Левой руки полк, Передовой полк). Часть собранных в Кашире, Коломне и ее окрестностях ратей, выдвинувшись к Туле, отразили нападение на русские «украины» крымских татар хана Девлет-Гирея, старавшегося сорвать завоевательные замыслы московского командования. Перекопскому «царю» только на 4 дня удалось отсрочить выступление русской армии на Казань.

Поход начался 3 июля 1552 г. Войска двигались двумя колоннами. Сторожевой полк, Левой руки полк и Государев полк во главе с царем шли через Владимир, Муром на реку Суру, к устью реки Алатырь, где тогда же был заложен одноименный город. Большой полк, Правой руки полк и Передовой полк, которыми командовал князь Михаил Иванович Воротынский двигались к Алатырю через Рязань и Мещеру. Соединение двух ратей произошло у Борончеева Городища за рекой Сурой. Проходя в среднем по 25 км. в день, 13 августа русское войско достигло Свияжска, а 16 августа начало переправу через Волгу, занявшую 3 дня. 23 августа огромная армия подошла к столице Казанского ханства.

Противник успел хорошо подготовиться к новой войне и будущей осаде и укрепил расположенный на господствовавших над окружающей местностью возвышенностях город. Казанский кремль был обнесен двойной дубовой стеной, заполненной щебнем и глинистым илом, с 14 каменными башнями- «стрельницами», находившиеся одна от другой на расстоянии, не превышавшем двойного полета стрелы (ок. 500 м). Подступы к городу прикрывали русла рек Казанки — с севера и Булака — с запада. С других сторон, особенно со стороны Арского поля, наиболее удобной для организации осадных работ, Казань окружал большой ров, достигавший 3 саженей (6,5 м) в ширину и 7 саженей (15 м) в глубину. Наиболее уязвимым местом крепости были 11 ворот, хотя они были прикрыты башнями и дополнительными укреплениями из тарас. На городских стенах, для защиты воинов от обстрела со стороны противника, были устроены парапеты высотой в 140 см, над которыми была возведена деревянная кровля. Помимо внешних укреплений Казани в самом городе была устроена внутренняя цитадель, которая находилась в северо-западной части города, на естественной возвышенности. Там стояли «палаты царские и мечети, зело высокие мурованные». От остального города дворец был отделен глубокими оврагами и внутрикрепостной каменной стеной.

На этот раз татары не ограничились укреплением своего главного города. В 15 верстах к северо-востоку от Казани, на Высокой горе в верховьях реки Казанки, был сооружен острог, подступы к которому надежно прикрывали топкие болота и засеки. Острог служил оперативной базой 20-тысячной конной рати царевича Япанчи, Шунак-мурзы и арского (удмуртского) князя Евуша. Это войско готовилось совершать внезапные нападения на тылы и фланги русской армии, в случае начала осады Казани. Однако достаточно продуманные меры борьбы с русскими оказались на этот раз малоэффективными, прежде всего из-за неравенства сил. 150-тысячной армии московского царя противостояло 60-тысячное татарское войско, разделенное на два отряда: 20-тысячный отряд Япанчи и 40-тысячный казанский гарнизон, в состав которого вошло не только все мужское население Казани, но и 5 тысяч мобилизованных восточных купцов. Успеху предприятия способствовало использование русским командованием новейшего для того времени средства разрушения оборонительных сооружений — устройства подземных минных галерей. Опасности таких методов борьбы совсем не знали казанцы.

Сражение за Казань началось, как только русские войска приблизились к городу. Начали его татары, атаковав шедший впереди армии Ертоульный полк. Момент для нападения был выбран очень удачно. Ертоул только что переправился через реку Булак и поднимался по крутому склону Арского поля, а другие русские полки находились на другом берегу и не могли оказать немедленной помощи своему авангарду.