Жесткий приговор в отношении казачьих предводителей привел в 1772 году к вооруженному восстанию. Яицкий городок на время мятежа стал центром казачьего сопротивления. Однако вскоре восстание было подавлено прибывшими правительственными войсками во главе с генерал-майором Ф. Ю. Фрейманом. Остатки разбитого казачьего войска растворились среди степных хуторов и крепостиц, спустя год став опорой для нового казачьего бунта.
Все началось с появлением в яицких степях в августе 1773 года чудом спасшегося императора Петра III. Под личиной императора скрывался донской казак Емельян Пугачев. Год назад он уже прибывал в Яицкий городок и звал местных казаков на Кубань. Теперь же он скрывался от поисковых отрядов, будучи схваченным и бежавшим из казанской тюрьмы.
17 (28) сентября 1773 года, собрав в окрестностях Яицкого городка костяк своих последователей, Пугачев издал первый именной императорский указ:
«Во имянном моем указе изображено яицкому воиску как вы други мои прежным царям служили до капли своей до крови дяды и оцы вашы так и вы послужити за свое отечество мне великому государю амператору Петру Федаравичу когда вы устоити за свое отечество и ни истечет ваша слава казачья от ныне и до веку и у детей вашых будити мною великим государям жалованы казаки и калмыки и татары и каторые мне государю императорскому величеству Петру Фе(до)равичу винныя были и я государь Петр Федаравич во всех винах прощаю и жаловаю я вас рякою с вершын и до усья и землею и травами и денижным жалованьям и свинцом и порахам и хлебными ж правиянтам я велики государь амператор жалую вас Петр Федаравич.»
Этот первый указ был обращен не только к казакам, но и к местному населению окрестных территорий. Каждая этническая группа видела в лице выжившего императора шанс на послабление налоговых, рекрутских и прочих государственных повинностей. Рассчитывая получить землю и самоуправление, в войска Пугачева вливались новые казачьи, татарские, калмыкские, башкирские отряды. Неизменным источником пополнения мятежного войска были крестьяне, приписанные к железоделательным заводам Урала. С ростом промышленного производства их положение стало чудовищным: заводской труд по тяжести и интенсивности был близок к каторжному, при этом заработок не позволял работающему прокормить себя и семью. Когда волна мятежа достигла Волги и захлестнула губернии центральной России, помимо заводских крестьян восстание поддержали крестьяне помещичьи. Однако в начале восстания мятежникам приходилось формировать отряды только из казаков и представителей местных народов.
Первой целью восставших стала фактическая столица предуральской степи — Оренбург. 5 (16) октября 1773 года войско Пугачева подошло к хорошо укрепленному городу. Последовала серия штурмов, оставшихся безрезультатными, и город был взят в долгую осаду. С наступлением холодов пугачевцы обосновались неподалеку, в Бердской слободе, которая и стала управленческим центром восстания. Туда стекались новые силы, подвозилось оружие и захваченная в пограничных крепостицах артиллерия. Оттуда, из фактической ставки, Пугачев рассылал свои манифесты, в которых даровал свободу помещичьим и заводским крестьянам, жаловал земли, освобождал от государственных податей.
Тем временем в столице изрядно обеспокоились начавшимися волнениями и отправили для подавления восстания генерал-майора В. А. Кара. Собрав корпус из двух тысяч солдат и полутора тысяч ополченцев, Кар выдвинулся из Казани к Оренбургу. 7 (18) ноября 1773 года авангард правительственного войска был встречен казачьими отрядами и в трехдневном бою потерпел поражение. Опасаясь полного разгрома, Кар принял решение отступить и вернуться в Казань.
Это был первый большой успех мятежников. Под впечатлением от победы над регулярными военными частями отряды восставших к началу 1774 года овладели Самарой и Ставрополем, осадили Уфу и Яицкий городок, а на севере подошли к Екатеринбургу.
Неудачный поход генерал-майора Кара убедил власти в серьезности проблемы. Екатерина II назначила новым военачальником генерал-аншефа А. И. Бибикова, который более основательно, нежели его предшественник, подошел к комплектованию и подготовке воинских частей. В результате войска Бибикова освободили Самару и нанесли мятежникам ряд чувствительных поражений. Генеральное сражение между правительственными силами и пугачевцами состоялось 22 марта (2 апреля) 1774 года на территории Татищевой крепости. Восставшие сконцентрировали в крепости от 7 до 9 тысяч солдат и порядка 30 пушек, в то время как генералы П. Д. Мансуров, П. М. Голицын и Ф. Ю. Фрейман подтянули к крепости около шести с половиной тысяч гвардейцев и 25 пушек. В ходе ожесточенного боя войска Пугачева потерпели крупное поражение. Сам предводитель восставших под прикрытием отряда казаков вырвался из крепости и укрылся в Бердской слободе.
Казалось, что правительственной армии остается только развить успех и дни мятежа сочтены. Но командующий войсками А. И. Бибиков внезапно умер, а новый назначенец, генерал-поручик Ф. Ф. Щербатов, не сумел организовать активные действия против бунтовщиков. Случайное затишье в военной кампании работало на восставших, позволяя им собраться с силами и выдвинуться к северу, на уральские заводы, в поисках новобранцев и запасов провизии.
С апреля по июнь 1774 года Пугачев захватывает один завод за другим, привлекая на свою сторону заводских крестьян и обзаводясь артиллерией. Впрочем, крестьяне, хотя и выступали основным источником пополнения мятежных отрядов, но зачастую были плохо вооружены и не имели представления о военной выучке. Практически крестьяне-новобранцы были абсолютно непригодны для противостояния регулярным войскам.
Гораздо более организованную и обученную структуру представляли собой башкирские конные подразделения. После присоединения к восставшим отряда национального башкирского героя Салавата Юлаева доля башкир возросла до двух третей от числа боеспособной части пугачевского войска. С таким пополнением военные задачи, разумеется, стали решаться проще.
В июне 1774 года Пугачев двинулся на запад в сторону Казани. По пути он взял несколько крепостей и заводов, обеспечив значительный приток в отряды местного удмуртского и татарского населения, а также приписанных заводских крестьян. В деревнях и селах, куда входили войска восставших, их встречали хлебом и солью, снабжали провиантом и фуражом. Численность пугачевцев достигла 20 тысяч человек, не считая множества мелких стихийных групп повстанцев, промышлявших в районах, охваченных восстанием. Периодические стычки правительственных войск с народными отрядами препятствовали должному преследованию Пугачева, обеспечив ему и его соратникам фору в несколько дней.
Быстро продвигаясь на запад, пугачевская армия оказалась у стен Казани неожиданно для горожан и городских властей. В городе нарастала паника. Опасаясь разграбления, состоятельные люди стали прятать свое имущество, началась эвакуация городского населения.
12 (23) июля 1774 года пугачевцы предприняли отчаянный штурм казанского посада и в течение дня заняли весь город. Единственным исключением стала территория Кремля, где укрылись основные силы защитников города. Это был кульминационный момент в истории пугачевщины: никогда более на протяжении всей крестьянской войны в руках восставших не находился столь крупный и стратегически важный центр. Но эйфория от успеха длилась менее суток.
В тот же день подоспевшие к городу войска генерала Михельсона вступили в бой с мятежниками и одержали победу. На следующий день положение восставших только усугубилось. Фактически они оказались в клещах между отрядом Михельсона и кремлевским гарнизоном, атаковавшим их в спину. 15 (26) июля состоялся решающий бой казанской кампании, в результате которого многократно уступающее в численности, но превосходящее по военной выучке правительственное войско разгромило бунтовщиков. Армия восставших была рассеяна, Пугачеву в числе немногих руководителей восстания удалось спастись.
Это поражение существенно уменьшило боеспособную часть армии, но не смогло подавить волну мятежа. С распространением бунта на поволжские территории и губернии, расположенные к западу от Волги, восстание по праву получило прозвание всенародного. В каждом городе, селе или деревне пугачевские отряды встречали широкую поддержку крестьян, выражавшуюся прежде всего в уничтожении местной помещичьей власти и наведении своих порядков. При приближении бунтовщиков крестьяне, как и на Урале, громили усадьбы, вступали в военные отряды, помогали продовольствием и фуражом.
Горючей смесью на угли крестьянских ожиданий пролились рассылаемые по округам пугачевские призывы к вооруженной борьбе с дворянством и чиновничеством. 28 июля (8 августа) 1774 года в Саранске и спустя три дня под Пензой был зачитан указ о вольности для крестьян, ставший кульминационной точкой крестьянской войны:
«Жалуем сим имянным указом с монаршим и отеческим нашим милосердием всех, находившихся прежде в крестьянстве и в подданстве помещиков, быть верноподданными рабами собственной нашей короне; и награждаем древним крестом и молитвою, головами и бородами, вольностию и свободою и вечно казаками, не требуя рекрутских наборов, подушных и протчих денежных податей, владением землями, лесными, сенокосными угодьями и рыбными ловлями, и соляными озёрами без покупки и без оброку; и свобождаем всех от прежде чинимых от злодеев дворян и градцких мздоимцов-судей крестьяном и всему народу налагаемых податей и отягощениев. И желаем вам спасения душ и спокойной в свете жизни, для которой мы вкусили и претерпели от прописанных злодеев-дворян странствие и немалыя бедствии.»
Указ даровал крестьянам вольность от помещиков, что означало зачисление их в сословие казаков. Крестьяне получали пашенную землю и вспомогательные угодья (лесные участки, сенокосы, рыбные ловли, соляные озера), освобождались от различных повинностей (оброка, рекрутских наборов, подушных податей). Вполне ожидаемо, что этот жест Пугачева привлек на его сторону великое множество помещичьих крестьян. Пожар восстания охватил до миллиона представителей низших слоев населения. В руках мятежников оказались города Саранск и Пенза, не говоря о десятках более мелких городков и населенных пунктов. Пламя мятежа заполыхало вплотную к границам Московской губернии.