Тревожные слухи о приближении новых соединений правительственных войск заставили Пугачева оставить Яицкий городок. С большим войском, насчитывающим около 9 тысяч человек, «Петр III» выступил навстречу корпусу князя Голицына. Бой произошел под Татищевой крепостью. Сражение было чрезвычайно ожесточенным, длилось 6 часов и закончилось победой правительственных войск.
Прибыв после поражения в Берду, Пугачев созвал военный совет, на котором было решено отступать в район Башкирии и Южного Урала. «Петр III» потерял все пушки, лучшую часть своей армии, восстание же не только не было подавлено, но разрасталось, захватывая все новые и новые районы империи. Народные массы не были сломлены, они стремились с оружием в руках завоевать свою свободу. Пугачев правильно оценил это стремление. «Народу у меня, — говорил он, — как песку… и я знаю, что вся чернь меня везде с радостью примет, лишь только услышит».
Начался второй этап Крестьянской войны. Пугачев и его войско двинулись по крепостям Оренбургской линии. В начале мая 1774 г. он овладел крупным населенным пунктом — Магнитной крепостью. Со всех сторон к нему стекались отряды горнозаводских рабочих, приписных крестьян, башкир. Крупные соединения Ивана Белобородова и Салавата Юлаева влились в армию Пугачева. Отряды восставших преследовались карательными войсками под командованием Михельсона. Пугачев шел в направлении Челябинска. За первую половину мая он овладел целым рядом крепостей, в том числе и крупнейшей Троицкой. Здесь его войско столкнулось с карателями. Потерпев поражение, он уходит в Башкирию. На протяжении июня войска карателей неоднократно одерживают победы над восставшими, но отряды Пугачева пополняются новыми бойцами. 21 июня «Петр III» захватывает город Осу и тем самым контролирует весь Прикамский край. В конце июня, разбив правительственные войска в районе Ижевского завода, он выходит на подступы к Казани. Из частного письма П. С. Потемкина, родственника «светлейшего князя Таврического», узнаем, что творилось в этот момент в крупнейшем волжском городе: «В приезд мой в Казань (8 июля) нашел я город в толь сильном унынии и ужасе, что весьма трудно мне было удостоверить о безопасности города. Известия о приближении к самой Казани злодея Пугачева привели в неописанную робость, начиная от начальника, почти всех жителей.» После ожесточенного штурма 12 июля Казань была взята. Под контролем правительственных войск оставалась лишь цитадель в центре города.
Здесь, в Казани, Пугачев освободил свою семью, арестованную и помещенную в местную тюрьму. «Петр III» распорядился поместить жену и детей в обоз, и они сопровождали его в походах.
За восставшими шел Михельсон. Под Казанью состоялся новый бой. Восставшие были разгромлены. С небольшим отрядом Пугачев отступил вверх по Волге и здесь перешел на правый берег реки. После поражения под Казанью наступил третий этап Крестьянской войны.
Для третьего периода восстания характерно интенсивное участие в нем наиболее угнетенной группы крепостных крестьян — частновладельческих. Барские крестьяне с восторгом приветствовали приход пугачевцев, снабжали их провиантом, фуражом, вступали в войско «Петра III», приводили к нему на суд своих притеснителей — помещиков и их приказчиков.
За один месяц преследуемый армией карателей Пугачев прошел от Казани до Царицына, захватив такие крупные города, как Курмыш, Алатырь, Саранск, Пенза, Петровск, Саратов, Камышин. А. С. Пушкин писал: «Вся западная сторона Волги восстала и предалась самозванцу. Пугачев объявил народу вольность, истребление дворянского рода, отпущение повинностей и безденежную раздачу соли». «Пугачев бежал, но бегство его казалось нашествием». Однако после очередного поражения, потеряв почти все войско, Пугачев переправился на левый берег Волги в районе Черного Яра. Оттуда он намеревался пробиваться в Гурьев, но конец его был близок. Среди приближенных казаков возник заговор, целью которого было схватить Пугачева и тем самым купить себе жизнь. В начале сентября 1774 г. заговорщики осуществили свой план. Пугачев был захвачен предателями и сдан правительственным властям. 15 сентября он был доставлен в Яицкий городок, а оттуда в специальной клетке его отвезли в Симбирск. Здесь его решили показать народу. Главнокомандующий граф Панин спросил Пугачева, как его зовут. «Емельян Иванов Пугачев», — услышал Панин. — «Как же смел ты, вор, назваться государем?», — спросил главнокомандующий. — «Я не ворон, я вороненок, а ворон-то еще летает», — ответил ему Пугачев. Панин в ярости избил беззащитного пленника.