Пугачев с войском продолжил движение на запад. Его целью была Казань — крупный административный и хозяйственный центр на пути к Москве. При подходе к городу повстанцы разбили небольшой отряд полковника Толстого из 200 солдат, многие из них перешли на сторону Пугачева. 11 июля он приблизился к Казани, располагая более чем 20-тысячной армией. Ему противостоял гарнизон из 1500 солдат, вооруженное казанское дворянство и до 6000 вооруженных горожан-богатеев. Перед штурмом Пугачев собрал военный совет. На нем наметили, что после взятия Казани восставшие пойдут на Москву, чтоб «Петру III» «…тамо воцариться и овладеть всем Российским государством». К середине дня 12 июля город был взят. К вечеру Пугачев получил известие о приближении войска Михельсона. Он поставил свою армию в семи верстах от города. Начался кровопролитный бой, продолжавшийся пять часов. Обе стороны понесли тяжелые потери. У Пугачева было 800 убитых, более 730 пленных. 15 июля он снова штурмует Казань. И опять Михельсон удивляется воинской стойкости своих врагов: «Злодеи на меня наступали с такою пушечною и ружейною стрельбою и с таким отчаянием, коего только в лутших войсках найти надеялся». Однако Михельсон выиграл это ожесточенное сражение. Армия Пугачева снова перестала существовать — он потерял до 2000 убитыми, 10000 пленными, пушки и знамена. Тысяч с шесть разошлось по домам.
Пугачев с остатками своей разбитой армии (от 1 до 2 тыс. чел.) в ночь на 17 июля переправился на правый берег Волги у Кокшайска, затем повернул на юг с целью выхода к Дону, жителей которого он надеялся поднять на борьбу.
Особенностью третьего этапа Крестьянской войны, начавшегося после взятия Казани, было усиление стихийности и локальности движения. Большое число местных повстанческих отрядов, которое возникло в это время, действовало, как правило, в пределах своих селений и уездов. Освобождая свои родные места, они считали задачу выполненной.
Многие повстанцы Правобережья вливались в главное войско Пугачева, которое при подходе к Саратову увеличилось до 20000 чел. Но эта армия была уже не та, какой она являлась на первом и втором этапах Крестьянской войны. Отсутствовала большая часть яицких казаков, работные люди и башкиры-конники также остались по ту сторону Волги. Основная масса повстанцев была не обученной военному делу, плохо вооруженной. Оторванность от уральских заводов, снабжавших армию Пугачева пушками и припасами, тоже сказывалась самым отрицательным образом.
А. Болотов, современник этих событий, живший в Москве, записал в своем дневнике: «Заговорили тогда вдруг и заговорили все и въяв о невероятных и великих успехах… Пугачева, а именно, что он… не только разбил все посланные для усмирения его военные отряды, но, собрав превеликую армию…, не только грабил и разорял все и повсюду вешал и… умерщвлял всех дворян и господ, но взял… самую Казань и оттуда прямо будто бы уже шел к Москве… Мы все удостоверены были, что вся… чернь, а особливо все холопство и наши слуги, когда и не въяв, так втайне, сердцами своими были злодею сему преданы, и в сердцах своих вообще все бунтовали и готовы были при малейшей возгоревшейся искре произвести огонь и пламя… Ожидали того ежеминутно мы, на верность и самих наших слуг никак полагаться, а паче всех их и не без основания почитали еще первыми и злейшими нашими врагами, а особливо слыша, как поступали они в низовых… местах со своими господами и как всех их либо сами душили, либо предавали в руки и на казнь… Пугачеву, то того и смотрели и ждали, что при самом отдаленнейшем еще приближении его к Москве вспыхнет в ней пламя бунта и народного мятежа».
Повстанческое войско, быстро разраставшееся, ускользало от карательных отрядов, опережало их. Ужо 23 июля оно заняло Алатырь, еще через четыре дня — Саранск. В Саранске на суд к Пугачеву крепостные крестьяне в течение трех дней приводили своих помещиков — более трехсот дворян по его приговорам были повешены. То же происходило и в других местах.