В начале октября 1773 года пугачевцы подошли к Оренбургу, в то время этот город был административным и торговым центром обширного края, прикрывавшим все важнейшие пути с юго-востока в центр России. Гарнизон Оренбурга на 1 октября 1773 года составлял около трех тысяч человек при 70—92 орудиях. В начале октября в Оренбург из Яицкого городка пришло подкрепление — отряд майора Наумова, в котором было 246 пехотинцев и 378 конных казаков.
Пятого октября 1773 года пугачевцы начали осаду Оренбурга, которая продлилась почти полгода, до середины марта 1774 года. В первый день осады Пугачев со своим войском «показался» вблизи города «в великих толпах». В Оренбурге была объявлена тревога и, как вспоминал очевидец событий священник Иван Осипов, «все себе жители представляли смерть, и быв великой плач и неутешное рыдание». Однако город хорошо подготовился к нападению повстанцев. Прежде всего было решено перевести жителей загородной Егорьевской слободы в Оренбург, а саму слободу сжечь, чтобы бунтовщики не смогли укрепиться на ее территории. Поспешно укрепив валы крепости, расширив и углубив ров, губернатор Рейнсдорп с офицерами, после нескольких вылазок, успешно отбитых пугачевцами, приняли решение держать осаду.
В течение всей осады Оренбурга Пугачев активно принимал участие в военном обучении и боевых действиях. Яицкие казаки признавали позднее, что он «…лучше всех знал, как в порядке артиллерию содержать», «…пушки и прочие орудия большею частию наводил сам», «…знал он, как палить из пушек, из других орудий, и указывал всегда сам канонирам» (из протоколов допросов И. Почиталина, Т. Подурова, М. Шигаева), сказывался значительный военный опыт. После наступления холодов в начале ноября пугачевцы перенесли лагерь в Бердскую слободу в нескольких верстах от Оренбурга. Поскольку жилья на всех не хватало, «император» приказал около Берды и в самой слободе «на дворах делать землянки», сам же поселился в доме Константина Ситникова, «так как етот дом был из лутчих» и потому «назывался дворцом государевым». В доме Ситникова оборудовали «Золотую палату», стены внутри которой были обклеены золотой фольгой. Когда «царь» выходил, то ему ставили кресло, сидя на котором он выслушивал и вершил «всякие дела». Приходившие к самозванцу люди кланялись ему в землю и целовали руку, называли его «ваше величество», а порой просто «батюшка». Тогда же он создал свою гвардию, командиром которой стал Тимофей Мясников, кроме этого самозванец приказал некоторым своим приближенным взять фамилии виднейших екатерининских сановников: Чика стал Чернышевым, Чумаков — Орловым, а Шигаев — Воронцовым.
Как на следствии вспоминал Тимофей Мясников, у «дворца» «на крыльце всегда непременной стоял караул, состоящей из выбранных нарочно для сего лутчих яицких казаков, дватцати пяти человек». Если «царь» куда-нибудь выезжал, то эти казаки «всегда за ним и ездили». Рассказал Мясников и о некоторых деталях убранства «государева дворца» и пребывания в нем Пугачева: «Покой у него был обит вместо обоев шумихою, по стенам зеркалы и портрет государя цесаревича Павла Петровича, взятой у офицера при разбитии не припомнит которой крепости. Дежурным всегда при нем был из яицких казаков Яким Давилин. В покое с ним никто не начевывал, кроме двух живших у него руских девок, а чьи такия — не знает, и двух мальчиков... которых он называл своими детьми». Одним из них был сын повешенного илецкого атамана Лазаря Портнова, Иван, исполнявший при «императоре» должность «камер-пажа». О втором мальчике известно со слов Мясникова лишь то, что он «взят у отставного Яицкого атамана Бородина, живущей у него, неизвестно, чей такой».
Уже в октябре восстание охватило большую часть Оренбургской губернии. Небольшие отряды пугачевцев, пользуясь сочувствием местного населения, легко овладевали крепостями и населенными пунктами. Помещики, заслышав о восстании, бежали из своих имений. Мятежники появлялись в деревнях и селах, запрещали мужикам работать на помещиков, порой вместе с этими же мужиками грабили господские дома, а то и убивали самих господ, не успевших скрыться. В октябре 1773 года пугачевские посланцы, указы от имени «Петра Федоровича», а также слухи о восстании подняли на бунт и часть заводских работных людей на Урале, к восстанию присоединились 13 из 129 действовавших там металлургических заводов. Всего на сторону Пугачева во время восстания перешло 64 уральских завода. В октябре 1773 года к самозванцу примкнули ставропольские калмыки, а также отдельные отряды киргиз-кайсаков (казахов), в то время как другие казахи, воспользовавшись беспорядками, уже с сентября того же года начали совершать набеги в пределы Оренбургской губернии.
Вспыхнувшее в Оренбуржье восстание в любой момент могло перекинуться на соседние территории, губернатор Казани Яков Брандт обратился за помощью. Главнокомандующий в Москве генерал-аншеф Михаил Никитич Волконский направил в Казань отряд в 300 человек из Томского полка с одним орудием и доложил о восстании президенту Военной коллегии графу Захару Григорьевичу Чернышеву. В Петербурге о бунте узнали лишь 14 октября. В то время Россия воевала с Турцией и опасалась войны со Швецией, а потому свободных войск в распоряжении правительства не было. В Казань отправили генерал-майора Фреймана, в 1772 году усмирявшего бунт яицких казаков. С ним было 300 рядовых и оставшиеся три орудия пехотного Томского полка. В Казань решили послать также гренадерскую роту (182 человека) с двумя орудиями. Главнокомандующим войсками, посланными против Пугачева, назначался генерал-майор Василий Алексеевич Кар.
Первоначально отряд Кара состоял всего из 522 человек при шести орудиях, затем он получил в свое распоряжение «оружейных людей», собранных по приказанию казанского губернатора Брандта. Шестого ноября Кар со своим отрядом дошел до деревень Мустафиной и Сарманаевой и решил подождать здесь присылки из Казани артиллерии и прибытия роты 2-го гренадерского полка. В то время под его командованием находилось 1467 человек — офицеры и солдаты Томского и Вятского полков, посланные из Москвы, а также гарнизонные солдаты, татары, конные поселенцы и экономические крестьяне, собранные Брандтом; таким образом, его отряд больше чем наполовину был укомплектован людьми, малопригодными для военных действий, а орудия оставляли желать лучшего.
В начале ноября отряд генерала Кара был разбит восставшими, а часть его войска перешла к Пугачеву. В донесении в Военную коллегию от 11 ноября генерал писал: «...по неимению при мне легких войск не можно мне было ничего с ними сделать, кроме что отстреливаться по их батареям из имевшегося со мною одного осьмифунтового единорога, под которым напоследок подбили лафет, и четырех трехфунтовых пушек, из коих три весьма безнадежные». «Безнадежны» были не только пушки, но и люди: «...из конных же моих, как скоро сильная канонада началась, то тридцать один человек экономических крестьян тотчас ускакали в злодейскую шайку; да и солдаты вслух кричать начинали, что бросят ружья». Кару пришлось отступить.
Однако к Оренбургу тогда же продвигались с войсками симбирский комендант полковник Чернышев и бригадир Корф. Пугачев со своим войском встретил Чернышева утром 13 ноября в четырех с половиной верстах от Оренбурга у Маячной горы. Бой продолжался недолго. Сначала на сторону самозванца перешли казаки и калмыки, а через некоторое время и солдаты. «Только одни афицеры, собравшись в одну кучку, противились и стреляли из ружей», однако в конечном счете и их «перехватали». Пугачев допросил арестованных Чернышева и его офицеров, после чего приказал их повесить. Отряду Корфа удалось прорваться в Оренбург, так как он получив вести о судьбе Чернышевского отряда, пошел к Оренбургу другой дорогой. Бунтовщики настигли и атаковали его только у самого города, но были отбиты.
В то же время генерал Кар передал командование генерал-майору Фрейману и самовольно отправился в Петербург. Как объяснил Кар в письме от 11 ноября президенту Военной коллегии Чернышеву, ехал он в столицу «для переговору» «о многих сего края подробностях». Правда, несколько позже Кар ввиду открывшейся болезни поменял свое решение и направился для лечения сначала в Казань, а затем в Москву. В Петербурге были крайне недовольны его поступком, поначалу пытались вернуть его назад, а потом уволили. Кар был отправлен в отставку, а сменил его 44-летний генерал-аншеф Александр Ильич Бибиков, проявивший себя как на военной, так и на гражданской службе. Для подавления бунта Бибиков был наделен чрезвычайными полномочиями — императрица приказала беспрекословно подчиняться ему всем местным духовным, военным и гражданским властям.
В то время как происходила смена главнокомандующих, а потом Бибиков ехал в Казань, главное войско Пугачева стояло под Оренбургом, а отдельные отряды бунтовщиков захватывали все новые территории. «...можно почесть за счастие, — писала Екатерина II М.Н. Волконскому 1 декабря 1773 года, — что сии канальи привязались два месяца целые к Оренбургу, а не далее куда пошли». Несмотря на большое желание взять Оренбург, «Петр III» теперь уже не пытался штурмом овладеть городом, а хотел взять его измором. В Оренбурге тем временем «показывалась во всем нужда крайняя». Академик Рычков обрисовал ситуацию в письме от 25 ноября: «Наши обстоятельства такие, каких с начала сдешнего города не бывало... я от роду моего не видывал». При таких обстоятельствах бунтовщики могли надеяться, что в ближайшее время город все же сдастся, и, чтобы подтолкнуть к этому осажденных, использовали уговоры и угрозы.
Отдельные отряды пугачевцев сражались с правительственными войсками. Так, отряд во главе с беглым крестьянином Ильей Араповым захватил ряд крепостей Самарской линии, а 25 декабря 1773 года и саму Самару — правда, ненадолго: спустя четыре дня они были выбиты из города командой майора Муфеля. Отряду под руководством Михаила Толкачева удалось осуществить казачью мечту — 30 декабря он наконец-то взял Яицкий городок, однако крепостью (ретраншментом), которую защищал гарнизон во главе с подполковником Симоновым, так и не овладел. Отряд во главе с самим Пугачевым не смог захватить расположенную в 110 верстах к востоку от Оренбурга Верхнеозерную крепость, зато в 40 верстах от нее восставшие овладели Ильинской крепостью.
Пугачевские успехи подстегнули многих недовольных к бунту. В ноябре—декабре 1773 года восстание охватило большую часть Оренбургской губернии и перекинулось на отдельные территории соседней с ней Казанской губернии. Именно в эти месяцы население Башкирии гораздо решительнее и активнее, нежели прежде, примыкало к самозванцу. Можно говорить чуть ли не о всеобщем бунте «башкирцев» и весьма деятельном участии в нем других народностей, населявших эту территорию. В войске самозванца к тому времени было не менее двадцати тысяч человек. Чтобы управлять ими, Пугачев создал «Военную коллегию», в первые месяцы существования она состояла из четырех судей, секретаря, думного дьяка и еще нескольких сотрудников. В ее компетенцию входили как военные, так и гражданские вопросы.
В начале декабря Пугачев отправил одного из своих главных соратников Ивана Зарубина-Чику на захват Уфы. Однако штурмом ее взять не удалось, город взяли в осаду, которая продолжалась до конца марта 1774 года, пока уфимцев не выручил подошедший полковник Михельсон. Стоит отметить, что Зарубину подчинялись не только осаждавшие город восставшие, но и другие отряды, например в Нагайбаке, Исетской и Пермской провинциях и Западной Сибири. По замечанию историка Н.Ф. Дубровина, Зарубин стал «хозяином всего Закамского края».
В январе 1774 года пугачевцы захватили несколько крепостей, селений и заводов в Пермской провинции и осадили ее административный центр Кунгур. Отправившийся из-под Кунгура в сторону Екатеринбурга отряд Ивана Белобородова по пути захватил несколько крепостей и заводов, а затем взял в блокаду и сам Екатеринбург. В горнозаводском районе Южного Урала успешно действовали отряды Ивана Грязнова и других повстанцев. Грязнов сначала осадил, а 8 февраля захватил Челябинск — центр Исетской провинции. Восстание охватило Средний Урал, Зауралье и Западную Сибирь. Некоторых успехов пугачевцам удалось добиться в Закамье, а также в Заволжье, где бунтовщики на несколько часов овладели Ставрополем. Что же касается главного пугачевского войска, то оно, правда, в отсутствие предводителя, 13 января у Бердской слободы одержало победу над правительственными силами, посланными из Оренбурга. Кроме того, успешно действовали повстанцы и в окрестностях Оренбурга. 16 февраля Хлопуша с отрядом в 400 с небольшим человек по приказу Шигаева (он оставался за главного) захватил Илецкую крепость.
Во второй половине января 1774 года Емельян Пугачев прибыл в Яицкий городок из-под осажденного Оренбурга, чтобы лично руководить штурмом крепости. Поселился «амператор» в Куренной части Яицкого городка, в двухэтажном каменном доме Михаила Толкачева на Кабанкиной улице. 21 января был произведен подрыв мины под валом, окружавшем ретраншмент, после чего последовала попытка штурма, отбитая правительственным гарнизоном с большими потерями для осаждавших. Пугачев распорядился начать новый подкоп для закладки мины под Михайло-Архангельский собор. В период между двумя штурмами был собран войсковой круг, на котором самозванец восстановил отмененный Петром I старинный обычай, по которому казаки сами выбирали своих атаманов. Новым атаманом Яицкого войска был выбран Никита Каргин, войсковыми старшинами стали Афанасий Перфильев и Иван Фофанов.
После проведения войскового круга состоялась свадьба «императора» с яицкой казачкой Устиньей Кузнецовой. Позже на допросах яицкие казаки и сам Пугачев по-разному излагали обстоятельства, приведшие к женитьбе самозванца на Устинье. Сам Пугачев называл инициаторами события яицких старейшин и своих ближайших соратников из числа яицких казаков. Михаил Толкачев после своего ареста, напротив, показывал, что инициатива исходила от самозванца, а ближайшие соратники пытались его от женитьбы отговорить: «Надо еще погодить. Ты не основал порядочно своего царства!» Однако Пугачев якобы настоял на своем, уверив, что в этом решении будет большая польза, но не разъяснив, в чем именно.