Когда до Петербурга дошли известия о разгроме экспедиции В. А. Кара и самовольном отъезде самого Кара в Москву, Екатерина II указом от 27 ноября назначила новым командующим А. И. Бибикова. В состав нового карательного корпуса вошли 10 кавалерийских и пехотных полков, а также 4 лёгких полевых команды, а кроме них — все гарнизоны и воинские части, находящиеся в зоне восстания. Бибиков прибыл в Казань 25 декабря 1773, и сразу же началось движение полков и бригад под командованием П. М. Голицына и П. Д. Мансурова к осаждённым пугачёвскими войсками Самаре, Оренбургу, Уфе, Мензелинску, Кунгуру. Уже 29 декабря возглавляемая майором К. И. Муфелем 24-я лёгкая полевая команда отбила Самару. Возглавляемая Мансуровым бригада разгромила отряды Арапова в боях под Алексеевском и у Бузулукской крепости, после чего в Сорочинской соединилась 10 марта с корпусом генерала Голицына, который подошёл туда, продвигаясь от Казани, разгромив восставших под Мензелинском и Кунгуром.
Получив сведения о продвижении бригад Мансурова и Голицына, Пугачёв решил отвести главные силы от Оренбурга, фактически сняв осаду, и сосредоточить главные силы в Татищевой крепости. Вместо сгоревших стен был выстроен ледяной вал, собрана вся наличная артиллерия. Вскоре к крепости подошёл правительственный отряд в составе 6500 человек и 25 пушек. Сражение состоялось 22 марта и было крайне ожесточённым. Когда положение стало безнадёжным, Пугачёв принял решение вернуться в Берды. Отход его остался прикрывать казачий полк атамана Овчинникова. Это было первое крупное поражение восставших. Пугачёв потерял около 2 тысяч человек убитыми, 4 тысячи ранеными и пленными, всю артиллерию и обоз.
В это же время Санкт-Петербургский карабинерный полк под командованием И. Михельсона, прибыл 2 марта 1774 в Казань и, усиленный кавалерийскими частями, с ходу был направлен на подавление восстания в районах Прикамья. 24 марта в бою под Уфой, у села Чесноковки, он разгромил войска под командованием Чики-Зарубина. Одержав победы на территории Уфимской и Исетской провинций над отрядами Салавата Юлаева и других башкирских полковников, подавить восстание башкир в целом ему не удалось, так как башкиры перешли к партизанской тактике.
Голицын продолжил поход к Оренбургу, куда и вступил 29 марта, в то время как Пугачёв, собрав свои войска, попытался пробиться к Яицкому городку, но встретив вблизи Переволоцкой крепости правительственные войска, вынужден был повернуть к Сакмарскому городку, где решил дать бой Голицыну. В бою 1 апреля восставшие вновь потерпели поражение, в плен попали свыше 2800 человек. Сам Пугачёв, оторвавшись от неприятельской погони, бежал с несколькими сотнями казаков к Пречистенской крепости, а оттуда ушёл за излучину реки Белой, в горнозаводской край Южного Урала, где восставшие имели надёжную поддержку.
В начале апреля бригада П. Д. Мансурова из Татищевой крепости направилась к Яицкому городку. Были взяты у пугачёвцев крепости Нижнеозёрная и Рассыпная, Илецкий городок, 12 апреля было нанесено поражение казакам-повстанцам у Иртецкого форпоста. Стремясь остановить продвижение карателей к своему родному Яицкому городку, казаки во главе с А. А. Овчинниковым, А. П. Перфильевым и К. И. Дехтяревым решили выступить навстречу Мансурову. Встреча произошла 15 апреля в 50 верстах восточнее Яицкого городка, у реки Быковки. Ввязавшись в бой, казаки не смогли противостоять регулярным войскам, началось отступление. Преследуемые гусарами, казаки отступили к Рубёжному форпосту, потеряв сотни человек убитыми. Собрав людей, атаман Овчинников повёл отряд к Южному Уралу, на соединение с войсками Пугачёва, ушедшим за реку Белую.
Вечером 15 апреля, когда в Яицком городке узнали о разгроме у Быковки, группа казаков, желая выслужиться перед карателями, повязали и выдали Симонову атаманов Каргина и Толкачева. Мансуров вступил в Яицкий городок 16 апреля, окончательно освободив городовую крепость, осаждённую пугачёвцами с 30 декабря 1773 года. Бежавшие в степь казаки не смогли пробиться к основному району восстания, в мае-июле 1774 года команды бригады Мансурова и казаки старшинской стороны начали поиск и разгром в прияицкой степи, вблизи рек Узеней и Иргиза, повстанческих отрядов Ф. И. Дербетева, С. Л. Речкина, И. А. Фофанова.
В начале апреля 1774 подошедший со стороны Екатеринбурга корпус секунд-майора Гагрина нанёс поражение находившемуся в Челябе отряду Туманова. А 1 мая командой подполковника Д. Кандаурова, подошедшей из Астрахани, был отбит у мятежников Гурьев городок.
9 апреля 1774 скончался командующий военными операциями против Пугачёва А. И. Бибиков. Командование войсками после него Екатерина II поручила генерал-поручику Ф. Ф. Щербатову, как старшему по званию. Обиженный на то, что на пост командующего войсками назначили не его, разослав небольшие команды по ближайшим крепостям и деревням для проведения следствия и наказаний, генерал Голицын с основными силами своего корпуса на три месяца задержался в Оренбурге. Интриги между генералами дали Пугачёву столь нужную передышку, он успел собрать на Южном Урале рассеянные мелкие отряды. Приостановили преследование и наступившие весенняя распутица и паводки на реках, ставшие непроходимыми дороги.
Утром 5 мая пятитысячный отряд Пугачёва подошёл к Магнитной крепости. К этому моменту отряд Пугачёва состоял в основном из слабовооружённых заводских крестьян и небольшого количества личной яицкой гвардии под командованием Мясникова, отряд не имел ни одной пушки. Начало штурма Магнитной было неудачным, в бою погибло около 500 человек. Отведя войска от крепости и обсудив ситуацию, восставшие под прикрытием ночной темноты предприняли новую попытку и смогли прорваться в крепость и захватить её. 7 мая к Магнитной с разных сторон подтянулись отряды атаманов А.Овчинникова, А.Перфильева, И. Белобородова и направившись вверх по Яику, восставшие овладели крепостями Карагайской, Петропавловской и Степной и 20 мая подошли к наиболее крупной Троицкой. К этому моменту отряд насчитывал 10 тысяч человек. В ходе начавшегося штурма гарнизон пытался отбить нападение артиллерийским огнём, но повстанцы ворвались в Троицкую. Пугачёву достались артиллерия со снарядами и запасы пороха, запасы провианта и фуража. Утром 21 мая на отдыхавших после боя повстанцев напал корпус Деколонга. Захваченные врасплох, пугачёвцы понесли тяжёлое поражение, потеряв убитыми 4000 человек и столько же ранеными и захваченными в плен. Отступить по дороге к Челябинску смогли только полторы тысячи конных казаков и башкир.
Оправившийся после ранения Салават Юлаев сумел организовать в это время в Башкирии, восточнее Уфы, сопротивление отряду Михельсона, прикрывая войско Пугачёва от его упорного преследования. В состоявшихся 6, 8, 17, 31 мая сражениях Салават, хотя не имел в них успеха, но и не дал нанести своим отрядам значительных потерь. 3 июня он соединился с Пугачёвым, к этому моменту башкиры составили две трети от всего числа армии восставших. 3 и 5 июня на реке Ай они дали новые бои Михельсону. Ни одна из сторон не получила желаемого успеха. Отступив на север, Пугачёв перегруппировал силы, пока Михельсон отошёл к Уфе, чтобы отогнать отряды башкир, действовавших у города, и пополнить запасы боеприпасов и провианта.
Воспользовавшись передышкой, Пугачёв направился к Казани. 10 июня была взята Красноуфимская крепость, 11 июня была одержана победа в бою под Кунгуром против сделавшего вылазку гарнизона. Не предпринимая попытки штурма Кунгура, Пугачёв повернул на запад. 14 июня авангард его войска под командованием Ивана Белобородова и Салавата Юлаева подошёл к прикамскому городку Осе и блокировал городовую крепость. Четыре дня спустя сюда пришли основные силы Пугачёва и завязали осадные бои с засевшим в крепости гарнизоном. 21 июня защитники крепости, исчерпав возможности дальнейшего сопротивления, капитулировали. Овладев Осой, Пугачёв переправил войско через Каму, взял по пути Воткинский и Ижевский железоделательные заводы, Елабугу, Сарапул, Мензелинск, Агрыз, Заинск, Мамадыш и другие города и крепости и в первых числах июля подошёл к Казани.
Навстречу Пугачёву вышел отряд под командованием полковника, и 10 июля в 12 верстах от города пугачёвцами была одержана полная победа. На следующий день отряд восставших расположился лагерем у города. «Вечером, в виду всех казанских жителей, он (Пугачёв) сам ездил высматривать город, и возвратился в лагерь, отложа приступ до следующего утра». 12 июля в результате штурма предместья и основные районы города были взяты, оставшийся в городе гарнизон заперся в казанском кремле и приготовился к осаде. В городе начался сильный пожар, кроме того, Пугачёв получил известие о приближении войск Михельсона, шедшего за ним по пятам от Уфы, поэтому отряды пугачёвцев вышли из горящего города. В результате короткого боя Михельсон пробился к гарнизону Казани, Пугачёв отошёл за реку Казанку. Обе стороны готовились к решающему сражению, которое состоялось 15 июля. Армия Пугачёва насчитывала 25 тысяч человек, но большая часть из них представляла собой только что присоединившихся к восстанию слабовооружённых крестьян, татарскую и башкирскую конницу, вооружённую луками, и небольшое количество оставшихся казаков. Грамотные действия Михельсона, ударившего в первую очередь по яицкому ядру пугачёвцев, привели к полному поражению восставших, не менее 2 тысяч человек погибло, около 5 тысяч было взято в плен.
Ещё до начала битвы 15 июля Пугачёв объявил в лагере, что от Казани направится в Москву. Несмотря на крупное поражение пугачёвской армии, пламя восстания охватило весь западный берег Волги. Переправившись через Волгу у Кокшайска, ниже села Сундырь, Пугачёв пополнил свою армию тысячами крестьян. К этому времени Салават Юлаев со своими отрядами продолжил боевые действия под Уфой. 20 июля Пугачёв вступил в Курмыш, 23-го беспрепятственно въехал в Алатырь, после чего направился к Саранску. 28 июля на центральной площади Саранска был зачитан указ о вольности для крестьян, жителям были розданы запасы соли и хлеба, городскую казну «ездя по городовой крепости и по улицам… бросали набегшей из разных уездов черни». 31 июля такая же торжественная встреча ожидала Пугачёва в Пензе. Указы вызвали в Поволжье многочисленные крестьянские мятежи, всего разрозненные отряды, действовавшие в пределах своих поместий, насчитывали десятки тысяч бойцов. Движение охватило большинство поволжских уездов, подошло к границам Московской губернии, реально угрожало Москве.
Издание указов (фактически — манифестов об освобождении крестьян) в Саранске и Пензе называют кульминацией Крестьянской войны. Указы произвели сильнейшее впечатление на крестьян, на скрывающихся от преследований старообрядцев, на противоположную сторону — дворян и на саму Екатерину II. Воодушевление, охватившее крестьян Поволжья, привело к тому, что в восстание было вовлечено население численностью более миллиона человек. При подходе армии Пугачёва или отдельных её отрядов крестьяне вязали или убивали своих помещиков и их приказчиков, вешали местных чиновников, жгли поместья, разбивали магазины и лавки. Всего летом 1774 года были убиты не менее 3 тысяч дворян и представителей власти.
Во второй половине июля 1774, когда пламя Пугачёвского восстания приближалось к границам Московской губернии и угрожало самой Москве, встревоженная императрица вынуждена была согласиться на предложение канцлера Н. И. Панина о назначении его брата, опального генерал-аншефа Петра Ивановича Панина, командующим войсковой экспедицией против мятежников. Генерал Ф. Ф. Щербатов был изгнан с этого поста 22 июля, и указом от 29 июля Екатерина II наделила Панина чрезвычайными полномочиями «в пресечении бунта и восстановлении внутреннего порядка в губерниях Оренбургской, Казанской и Нижегородской».
Для ускорения заключения мира были смягчены условия Кучук-Кайнарджийского мирного договора, и освободившиеся на турецких границах войска — всего 20 кавалерийских и пехотных полков — были отозваны из армий для действий против Пугачёва.
Подавление восстания
После триумфального вхождения Пугачёва в Саранск и Пензу все ожидали его похода к Москве. В Москву, где ещё были свежи воспоминания о Чумном бунте 1771 года, были стянуты семь полков под личным командованием П. И. Панина. Московский генерал-губернатор князь М. Н. Волконский распорядился поставить рядом со своим домом артиллерию. Михельсон, получивший в июле звание полковника и преследовавший мятежников от Казани, повернул к Арзамасу, чтобы перекрыть дорогу к старой столице. Генерал Мансуров выступил из Яицкого городка к Сызрани, генерал Голицын — к Саранску. Карательные команды Муфеля и докладывали, что всюду Пугачёв оставляет за собой бунтующие деревни и они не успевают усмирить их все. «Не только крестьяны, но попы, монахи, даже архимандриты возмущают чувствительный и нечувствительный народ». Но от Пензы Пугачёв повернул на юг. Большинство историков указывает причиной этого планы Пугачёва привлечь в свои ряды волжских и, особенно, донских казаков. Возможно, что ещё одной причиной было желание яицких казаков, уставших сражаться и уже растерявших своих главных атаманов, вновь скрыться в глухих степях нижней Волги и Яика, где однажды они уже укрылись после восстания 1772 года. Косвенным подтверждением такой усталости служит то, что именно в эти дни начался заговор казацких полковников с целью сдачи Пугачёва правительству взамен получения помилования.
4 августа армия самозванца взяла Петровск, а 6 августа окружила Саратов. Воевода с частью людей по Волге сумел выбраться в Царицын и после боя 7 августа Саратов был взят. Здесь же Пугачёв направил указ к правителю калмыков Цендену-Дарже с призывом присоединиться к его войску. Но к этому времени карательные отряды под общим командованием Михельсона уже буквально шли по пятам пугачёвцев, и 11 августа город перешёл под контроль правительственных войск.
После Саратова спустились ниже по Волге к Камышину, который, как многие города до него, встретил Пугачёва колокольным звоном и хлебом-солью. Присоединив к себе 3-тысячный отряд калмыков, восставшие вступили в станицы Волжского казачьего войска Антиповскую и Караваинскую, где получили широкую поддержку и откуда были рассланы гонцы на Дон с указами о присоединении донцов к восстанию. Подошедший из Царицына отряд правительственных войск был разбит на реке близ станицы Балыклевской. Далее по дороге была Дубовка, столица Волжского казачьего войска. Поскольку волжские казаки во главе с атаманом остались верными правительству, гарнизоны волжских городов усилили оборону Царицына, куда прибыл и тысячный отряд донских казаков под командованием походного атамана Перфилова.
21 августа Пугачёв попытался атаковать Царицын, но штурм потерпел неудачу. Получив известие о прибывающем корпусе Михельсона, Пугачёв поспешил снять осаду с Царицына, восставшие двинулись кЧёрному Яру.
В Астрахани началась паника. 24 августа у Солениковой рыболовецкой ватаги Пугачёв был настигнут Михельсоном. Поняв, что боя не избежать, пугачёвцы выстроили боевые порядки. 25 августа состоялось последнее крупное сражение войск под командованием Пугачёва с царскими войсками. Бой начался с крупной неудачи — все 24 пушки армии восставших были отбиты кавалерийской атакой. В ожесточённом бою погибло более 2000 повстанцев, среди них атаман Овчинников. Более 6000 человек было взято в плен. Пугачёв с казаками, разбившись на мелкие отряды, бежали за Волгу. В течение августа-сентября большинство участников восстания было поймано и отправлено для проведения следствия в Яицкий городок, Симбирск, Оренбург.
Пугачёв с отрядом казаков бежал к Узеням, не зная, что ещё с середины августа Чумаков, Творогов, Федулёв и некоторые другие полковники обсуждали возможность заслужить прощение сдачей самозванца. Под предлогом облегчить уход от погони, они разделили отряд так, чтобы отделить преданных Пугачёву казаков вместе с атаманом Перфильевым. 8 сентября у реки Большой Узень они накинулись и связали Пугачёва, после чего Чумаков и Творогов отправились в Яицкий городок, где 11 сентября объявили о пленении самозванца. Получив обещания в помиловании, они известили сообщников, и те 15 сентября доставили Пугачёва в Яицкий городок. Для перевозки Пугачёва была изготовлена тесная клетка, установленная на двухколёсную арбу, в которой, закованный по рукам и ногам, тот не мог даже повернуться. В Симбирске в течение пяти дней его допрашивали П. С. Потёмкин, начальник секретных следственных комиссий, и граф П. И. Панин, командующий карательными войсками правительства.
В это время, помимо разрозненных очагов восстания, организованный характер имели боевые действия в Башкирии. Салават Юлаев вместе со своим отцом Юлаем Азналиным возглавлял повстанческое движение на Сибирской дороге, Каранай Муратов, Качкын Самаров, Селяусин Кинзин — на Ногайской, Базаргул Юнаев, Юламан Кушаев и Мухамет Сафаров — в Башкирском Зауралье. Они сковывали значительный контингент правительственных войск. В начале августа был предпринят даже новый штурм Уфы, но в результате слабой организации взаимодействия между различными отрядами он сложился неудачно. Тревожили набегами на всём протяжении пограничной линии казахские отряды. С поимкой Пугачёва, направлением в Башкирию освободившихся правительственных войск начался переход башкирских старшин на сторону правительства, многие из них присоединились к карательным отрядам. После захвата в плен Канзафара Усаева и Салавата Юлаева восстание в Башкирии пошло на убыль. Свой последний бой Салават Юлаев дал 20 ноября под осаждённым им Катав-Ивановским заводом и после поражения пленён 25 ноября. Но отдельные повстанческие отряды в Башкирии продолжали сопротивление до лета 1775.
До лета 1775 года продолжались волнения в Воронежской губернии, в Тамбовском уезде и по рекам Хопру и Вороне. Перепуганные помещики заявляли, что «ежели Воронежская губернская канцелярия не ускорит истреблением тех злодейских оказавшихся шаек, то неминуемо таковое ж кровопролитие последует как и в минувший мятеж происходило».
Чтобы сбить волну мятежей, карательные отряды начали массовые казни. В каждой деревне, в каждом городке, принимавшем Пугачёва, на виселицы и «глаголи», с которых едва успели снять повешенных самозванцем офицеров, помещиков, судейских, стали вешать вожаков бунтов и назначенных пугачёвцами городских глав и атаманов местных отрядов. Для усиления устрашающего эффекта виселицы устанавливались на плоты и пускались по главным рекам восстания. В мае в Оренбурге состоялась казнь Хлопуши: его голову на шесте установили в центре города. При проведении следствия применялся весь средневековый набор испытанных средств. По жестокости и количеству жертв Пугачёв и правительство не уступили друг другу.
В ноябре все главные участники восстания были перевезены в Москву для проведения генерального следствия. Их поместили в здании Монетного двора у Иверских ворот Китай-города. Руководили допросами князь М. Н. Волконский и обер-секретарь С. И. Шешковский. На допросе Е. И. Пугачёв дал подробные показания о родных, о своей юности, об участии в составе Донского казачьего войска в Семилетней и Турецкой войнах, о своих скитаниях по России и Польше, о своих планах и замыслах, о ходе восстания. Следователи пытались выяснить, не являлись ли инициаторами восстания агенты иностранных государств, или раскольники, или кто либо из дворянства. Екатерина II проявляла большой интерес к ходу следствия. В материалах московского следствия сохранилось несколько записок Екатерины II к М. Н. Волконскому с пожеланиями о том, в каком плане необходимо вести дознание, какие вопросы требуют наиболее полного и детального расследования, каких свидетелей следует дополнительно опросить. 5 декабря М. Н. Волконский и П. С. Потёмкин подписали определение о прекращении следствия, так как Пугачёв и другие подследственные не могли добавить ничего нового к своим показаниям на допросах и не могли ничем ни облегчить, ни усугубить своей вины.
30 декабря в Тронном зале Кремлёвского дворца собрались судьи по делу Е. И. Пугачёва. Они заслушали манифест Екатерины II о назначении суда, а затем было оглашено обвинительное заключение по делу о Пугачёве и его сподвижниках. Рано утром 31 декабря Пугачёва под усиленным конвоем перевезли из казематов Монетного двора в покои Кремлёвского дворца. В начале заседания судьи утвердили вопросы, на которые был должен ответить Пугачёв, после чего его ввели в зал заседаний и заставили встать на колени. После формального опроса его вывели из зала, суд вынес решение: «Емельку Пугачёва четвертовать, голову воткнуть на кол, части тела разнести по четырём частям города и положить на колеса, а после на тех местах сжечь». Остальных подсудимых распределили по степени их вины на несколько групп для вынесения каждой соответствующего вида казни или наказания. В субботу, 10 января 1775 г., на Болотной площади в Москве при громадном стечении народа была совершена казнь. Пугачёв держался достойно, взойдя на лобное место, перекрестился на соборы Кремля, поклонился на четыре стороны со словами «Прости, народ православный». Приговорённым к четвертованию Е. И. Пугачёву и А. П. Перфильеву палач отрубил сначала голову, таково было пожелание императрицы. В тот же день повесили М. Г. Шигаева, Т. И. Подурова и В. И. Торнова. И. Н. Зарубин-Чика был отправлен для казни в Уфу, где был казнён отсечением головы в начале февраля 1775 года.
Пленённого Салавата Юлаева и его отца Юлая Азгалина сослали на каторгу в балтийский порт Рогервик (Эстония). Другого руководителя выступления башкир Кинзю Арсланова, бежавшего за Волгу с Пугачёвым, так и не нашли, дальнейшая его судьба неизвестна.
В результате это стало самое масштабное и многочисленное восстание в истории Российской Империи, произошло объединение антикрепостнической и национально-освободительной идей в требованиях восставших.
Настолько масштабных внутригосударственных волнений не происходило до 1917 года.