Перебежавшие в стан Разина астраханцы указали наиболее уязвимые участки в обороне крепости и провели суда, охватившие город в полукольцо. Главные силы разинцев на стругах остановились у Жареного бугра, два струга стали у Зеленого городка, остальные — на реке. Чтобы избежать кровопролития, решили послать для переговоров о сдаче города двух человек: одного — к митрополиту Иосифу, другого— к воеводе. Выбор пал на людей, хорошо знавших Астрахань: Воздвиженского попа Василия Гаврилова и дворового человека князя С. И. Львова — Вавилу.
Однако главы московских стрельцов Д. Полуектов, А. Соловцов, воеводы и астраханские служилые домовые люди отказались вести переговоры. Гаврилова митрополит Иосиф приказал бросить с деревянным кляпом во рту в каменную темницу Троицкого монастыря. Княжеского холопа Вавилу, бесстрашно пришедшего в стан врагов, городовой воевода приказал пытать, а затем отсечь ему голову у Никольских ворот, как раз напротив того места, где причаливали струги повстанцев. Бессмысленная жестокость Прозоровского не только не устрашила, но ожесточила разинцев. Этот акт вызвал гнев и в городе.
В то время как митрополит Иосиф служил молебен и ходил с иконами вдоль Белого города, призывая проклятия на головы казаков и крестьян, астраханцы А. Лебедев и С. Куретников под покровом ночи проводили струги в тыл городу. Внутри крепости горожане готовили лестницы со стороны поля для помощи осаждавшим. Жители одной из астраханских слобод пытались зажечь укрепления внешнего города, чтобы облегчить его сдачу разницам, за что были казнены властями.
Митрополит Иосиф предложил Прозоровскому выпустить из своих прудов в пригородных садах воду на солончаковые поля. Астрахань была превращена в остров, со всех сторон окруженный водой и солончаковыми болотами. Двор митрополита Иосифа стал центром стягивания противников восстания. Сюда созвали лучших людей во главе с И. Брасулей, обещая им за верную службу различные льготы. Однако часть даже служилых людей отказалась поддерживать воеводу и митрополита.
В ночь на 22 июня 1670 г. в Астрахани началось восстание горожан: не помогли ни раздача жалованья, ни призывы митрополита Иосифа. Разинские отряды, пошли на приступ и сразу же ощутили, что гарнизон города на их стороне. Стрельцы, как свидетельствуют официальные документы, начали знамёнами показывать знаки, чтобы разинцы шли к ним. Один из офицеров-наемников команды «Орла», Д. Бутлер, описал столкновение между полковником Т. Бейли и подчиненными ему ратными людьми. Царский военачальник пытался удержать стрельцов от мятежа, но те не повиновались, ранили его в щеку и в ногу и потребовали, чтобы он замолчал, или они прибьют его. Такие факты не были единичными.
В различных источниках подчеркивается, что местный гарнизон не оказал сопротивления. Сравнительно быстро казаки овладели Земляным городом и Белым. Наибольших усилий потребовало взятие кремля. Приступ вели с двух направлений: от ворот Мочаловской башни отряд вел Разин, со стороны Пыточной башни от лавок двигался Василий Ус с казаками. С этой стороны сражение было особенно кровопролитным. Когда у осажденных кончились снаряды, обезумевшие от страха защитники стали стрелять из пушек деньгами и многих казаков убили.
Иностранные наемники стали искать спасения в крепостной стене, покинув свои посты, бросились к лодкам. Некоторые из них успели бежать на учуги, а затем отплыли в Каспийское море. Во время восстания и приступа воевода М. С. Прозоровский был убит. Раненый городовой воевода И.С. Прозоровский с дьяками, головами, дворянами, детьми боярскими и митрополитом Иосифом заперся в соборе, который охранял отряд во главе с пятидесятником Ф. Дурой. Вырубив калитку у Пречистенских ворот, повстанцы проникли через житный двор к собору, убили Ф. Дуру, оборонявшего вход с ножом в руках, схватили всех, кто «в осаде дрались», вывели на площадь, связали и посадили около городской стены. Город оказался в руках народа.
22 июня 1670 г. атаманы во главе с Разиным собрали перед собором публичный суд над администрацией и ее пособниками. На круге приговорили к казни 66 детей боярских, стрелецких голов и сотников, дьяков и подьячих. С раската сбросили и ненавистного И.С. Прозоровского. На улицах Астрахани еще продолжались отдельные сражения. По преданию, даже дети брали палки и шли биться.
Всех подневольных астраханских людей Разин объявил свободными. Выпустил из тюрем узников.
В Астрахани, как и в Царицыне, разинцы ввели управление кругом. Астраханское население тоже поделили на тысячи, сотни, десятки и выбрали атаманов, сотников и десятников. На круг собирались как разницы, так и восставшие астраханцы. Там решалась участь дворян и начальствующих лиц, происходил дележ конфискованного у знати и богатеев имущества, причем получение доли было обязательным для всех участников круга. Характерно, что собственно государеву казну, хранившуюся в астраханской приказной палате, не тронули — разинцы лишь взяли ее под контроль. Видимо, сказались царистские настроения повстанческих масс и, кроме того, желание Разина иметь неприкосновенный денежный фонд.
В Астрахани, как и в Царицыне, С. Т. Разин старался поддерживать дисциплину в своем войске и порядок в городе. Его приказания выполнялись немедленно и беспрекословно. Он беспощадно карал мародеров. Разин позаботился об открытии в Астрахани таможен, разрешил торговать иностранцам. Любопытно, что для похода вверх по Волге разинцы проводили мобилизацию в свои войска: 1 человек от 10. Разин стремился не только навести порядок, но и придать законность постановлениям круга. У него были свои знаки власти: знамена, печать; пропуском в другой город служила веревочка с пуговицами. Все это уточняет представление об устройстве управления на территории, объятой восстанием, и показывает неуклонное стремление С.Т. Разина внести элементы организованности в возглавленное им движение.
Взятие Астрахани — значительный успех повстанцев. Большой и богатый город, надежно защищенный каменными укреплениями, стал мощной базой разинцев в Нижнем Поволжье. Обладание Астраханью обеспечило восставшим тыл, дало возможность бесперебойного сообщения с Доном. Да и сам факт, что в руках казацко-крестьянского войска оказался крупный город России, перевалочный пункт ее торговли с Востоком, приумножил славу Степана Разина и народную веру в его силу и непобедимость.
В середине июля 1670 г. Разин двинулся вверх по Волге с намерением по пути следования наказывать воевод. Предводитель повстанцев понимал стратегическое значение городов и стремился занять их. Защищенные стенами, рвом, валом, русские города могли выдерживать длительную осаду. В крупных городах гарнизоны насчитывали от 2 до 5 тыс. человек, имелась артиллерия. В амбарах и кладовых были заготовлены провиант и фураж, в зелейных погребах — боеприпасы. Кроме того, города, как правило, лежали на пересечении важных дорог, что давало возможность в случае необходимости перекрыть путь, идущий через город, и парализовать сообщение между уездами. Не случайно С. Разин и его соратники считали овладение городами важной задачей и, не ограничиваясь захватом уезда, обязательно вели свои отряды на штурм уездного центра. Города становились новыми очагами восстания, надежным оплотом разинцев.
Пока повстанческое войско шло от Астрахани к Царицыну, к нему стекались люди, прослышавшие о народном заступнике Степане Тимофеевиче.
Разин звал в свое войско кабальных и опальных, поротых и клейменых. Основной приток в разинские отряды шел за счет беглого крестьянства и холопов. Но много было среди повстанцев и посадской бедноты, стрельцов, работников волжских промыслов и судов — бурлаков, крючников, водоливов.
В конце июля 1670 г. на круге в Царицыне, куда вновь пришли разинцы, обсуждался вопрос, какой путь избрать для похода в центр страны — на Москву. Боярская Москва олицетворяла в глазах восставших все социальное зло. Ведь именно из столицы поступали все распоряжения верховной власти о закрепощении народа. Ведь это там чинят бояре неправый суд, там казнят и наказывают горемычных крестьян, холопов, казаков, посадских. Шумит круг. Посредине, у воткнутого в землю головного знамени, стоит Степан Разин с ближайшими сподвижниками. Он говорит собравшимся, что есть два пути в Москву: один — Волгою, другой — Доном. Но в конце решили, идти по Волге. Но Разин не отказался и от возможности поднять Слободскую Украину. Он послал туда отряд Я. Гаврилова в 2—3 тыс. человек, оснащенный пушками и порохом. С ним же было отправлено на Дон 40 тыс. деньгами. В Кагальник Разин направил своего брата Фрола, который переправил в верховские городки обоз с продовольствием. Предполагалось, что отряд Фрола будет продвигаться на север вверх по Дону. Таким образом была бы реализована идея движения двух войск в центр страны: по Волге и по пути, проложенному ранее В. Усом.
Летом 1670 г. к Разину по пути его следования переходили один за другим города и населенные пункты. Жители Саратова встретили повстанцев хлебом-солью. Население Самары при приближении разинского войска открыло ворота города, городская беднота и значительная часть стрельцов отказались повиноваться воеводе, начальным и приказным людям. Огнем Крестьянской войны занялось Среднее Поволжье, пламя восстания бушевало на обширной территории западнее Волги вплоть до Оки, угрожая центральным уездам страны.
После Самары разницы вступили в недавно освоенные земледельческие районы. Тут были крупные вотчинные владения, где почти ежедневно работали на барщине крестьяне разных национальностей: русские, татары, мордва, башкиры, чуваши. В хозяйстве крупного землевладельца крестьянину приходилось платить трудом и продуктами за пашню, сенные покосы, рыбные ловли, мельницы, амбары, лавки. С нетерпением и надеждой ждали крестьяне своего избавителя Степана Тимофеевича Разина. О нём знала уже вся Россия.