После захвата Татищевой крепости Пугачев решил идти на Оренбург. 30 сентября, на следующий же день после выхода из Татищевой, повстанцы без боя захватили Чернореченскую крепость, от которой до Оренбурга оставалось всего 28 верст. Однако восставшие не пошли сразу на столицу губернии, а повернули налево, чтобы окружить ее и «пресечь наперед отвсюду с сим городом коммуникацию». Оренбург в то время 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. Однако город все же был недостаточно укреплен. По мнению историка Петра Ивановича Рычкова, одним из первых описавшего пугачевский бунт, «ежели б оный злодей, не мешкав в Татищевой и Чернореченской крепостях, прямо на Оренбург устремился, то б ему ворваться в город никакой трудности не было; ибо городские валы и рвы в таком состоянии были, что во многих местах без всякого затруднения на лошадях верхом выезжать было можно».
Пугачев принял предложение татар Сеитовской слободы, или Каргалы, прибыть к ним. В многолюдную Каргалу Пугачев вступил 1 октября. Богатые жители ее бежали в Оренбург, но остальные татары приняли Пугачева «с честью». На обширной площади слободы расстелили ковер и поставили кресло, долженствующее изображать царский престол. Двое татар поддерживали Пугачева под руки, а все остальные, пока он не сел в кресло, пали ниц. В Сеитовой слободе был составлен указ к мишарям и башкирам с призывом присодиняться к армии «императора», взамен обещалось владение лесами и реками, порохом и солью. 2 октября Пугачев вступил в казачий Сакмарский городок, в котором служили откомандированные яицкие казаки, где ему устроили такую же торжественную встречу.
Пугачевские манифесты распространялись на русском, арабском, татарском и «турецком» (тюрки) языках. Пугачев обращался с манифестами и «именными повелениями» к казакам, суля им реки и земли, травы и моря, денежное жалованье, хлеб, порох, и свинец, вечную вольность и нерушимость старой веры, к башкирам, обещая им, «детям... и внучатам» вольную жизнь, освобождение от податей, награждая землями и водами, лесами и травами, денежным и хлебным жалованьем. Пугачев обращается к «мухаметанцам и калмыкам» и обещает им земли и воды, денежное жалованье и соль, «веру и молитву». Его именные указы обращены к «регулярной команде», «рядовым и чиновным солдатам», которым он жалует деньги, чины и «первые выгоды в государстве». К армии Пугачева стали активно присоединяться башкиры, татары, калмыки. На начало октября 1773 года в пугачевском войске насчитывалось от двух до пяти тысяч человек.
Отказ мятежников от движения прямой дорогой на Оренбург дал губернатору время для принятия мер по укреплению города. Губернатор приказал обер-коменданту Валленштерну вернуть всех солдат из отлучек, предписал коменданту Верхнеозерной дистанции бригадиру Корфу командировать в Оренбург по 20 человек с пяти крепостей. 24 сентября Рейнсдорп написал о грозившей опасности сибирскому губернатору Чичерину, казанскому Брандту и астраханскому Кречетникову, а также в подведомственные провинциальные канцелярии. 28 сентября он созвал совет из высших военных и гражданских чиновников, на котором было решено прежде всего отобрать оружие у вызывавших подозрение ссыльных польских конфедератов и вывести их из города. Совет постановил также привести в исправное состояние артиллерию и снабдить ее всем необходимым, перевести в Оренбург сеитовских татар, разрушить мосты через Сакмару, а «все слабые места города, которые требуют укрепления... осмотреть» и в случае надобности привести в порядок. Особое внимание совет уделил военной дисциплине среди обороняющихся: им запрещалось отлучаться «от тех мест, где кто назначен», «а буде кто отлучится, того в страх другим застрелить». Были укреплены обветшавшие крепостные стены и инженерные сооружения вокруг города. Срочно был очищен крепостной ров, за ним «поставлены рогатины», исправлен земляной вал, у которого «крутости... осыпались». Городские ворота, по свидетельству современника, «не только запирать, но и навозом заваливать стали». Однако последнее распоряжение вскоре было отменено, «ибо признано ненужным и затруднительным».
30 сентября во всех церквях было прочитано обращение Рейнсдорпа, разоблачающее Пугачева как самозванца. В этом обращении говорилось, что он якобы был наказан кнутом и на его лице палач выжег знаки, и поэтому он никогда не снимает шапки. Губернатор и его окружение, не проверив эту информацию, совершили большую ошибку, ведь никаких «знаков» на лице самозванца не было. Впоследствии, вспоминая об этой «публикации», Пугачев свидетельствовал: «...сие не только в толпе моей разврату не причинило, но еще и уверение вселило... что я — подлинно государь». Тогда же Рейнсдорп подослал к Пугачеву Афанасия Соколова-Хлопушу, каторжника, сидевшего в Оренбурге в тюрьме. Хлопуше поручалось за вознаграждение и освобождение «свесть» Пугачева в Оренбург, но Хлопуша перешел на сторону Пугачева.
Первые отряды пугачевцев появились у самого Оренбурга 3 октября. К вечеру 5 октября все войско восставших подошло к городу. Чтобы создать впечатление огромной численности своего войска, Пугачев приказал растянуться в одну шеренгу. Началась осада Оренбурга, которая продлилась почти полгода. 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 был готов к нападению. Жителей загородной Егорьевской слободы перевели в Оренбург, а саму слободу сожгли, чтобы бунтовщики не смогли укрепиться на ее территории, прилегавшей «к самому городскому валу и к главной соборной церкви». «А дабы злодеи в близость города не шли, — писал П.И. Рычков, — для того выпалено в них с городского отсель вала из пушек ядрами и картечами 88 зарядов и брошены три бомбы тридцатифунтовые...» Этот обстрел заставил пугачевцев отойти на Казачьи луга, находившиеся в пяти верстах от Оренбурга, где они еще утром устроили свой лагерь.
На следующий день около полудня из осажденного города увидели, что Пугачев зажег заготовленное на зиму сено. Из Оренбурга был выслан отряд под началом майора Наумова, «состоящий в 1500 человеках регулярных и нерегулярных людей с пристойным числом артиллерии». Перестрелка продлилась часа два, после чего майору, заметившему «в подчиненных своих робость и страх», пришлось увести отряд в город. Вечером в тот же день пугачевцы обстреливали Оренбург из пушек, а некоторые, «отважнейшие, подъезжая близко к городским валам, палили из ружьев и причинили тревогу». Целью артиллерийского обстрела было поджечь город и, воспользовавшись паникой, ворваться внутрь, как это было в Татищевой крепости. Но, хотя «жители были все в великом и неописанном страхе», «тое ночь вреда никакого не причинено городу». За весь день осажденные потеряли одного человека убитым и несколько ранеными, в то время как потери бунтовщиков, по некоторым сведениям, составляли до семидесяти убитых.
7 октября Рейнсдорп созвал военный совет, на котором говорил «о колеблющемся здешнего народа состоянии»: «...вчерашняя вылазка доказывает крайнюю на казаков и татар безнадежность». По его мнению, наблюдалась «в оренбургских и яицких казаках к сражению с злодеями некоторая неохотность». Все участники совета, кроме вице-губернатора В.Я. Старово-Милюкова, высказались за то, чтобы отказаться от активных действий против самозванца, «поступать оборонительно» и дождаться подкрепления. 12 октября Рейнсдорп еще раз попробовал разбить Пугачева в открытом полевом сражении, однако эта попытка не удалась, а потому губернатор решил окончательно отказаться от крупных вылазок до подхода помощи.
Пугачев несколько раз пытался взять Оренбург, но безуспешно. Наиболее решительный штурм города был предпринят 2 ноября. Утром повстанцы открыли по городу артиллерийский огонь, который продолжался «до самой ночи». Этот обстрел был весьма опасен, ибо батареи располагались «вкруг всего здешнего города». Пугачевцы «завезли несколько пушек своих к самой Егорьевской церкви... от городского вала не далее двухсот сажень». Оборонявшиеся, в свою очередь, отвечали пушечной пальбой. Как вспоминал очевидец, «от такого происходящего с обеих сторон грому не только человеки трепетали, но и здания тряслись». Около тысячи пеших повстанцев попытались ворваться в город. Говорили, что «государь» обещал соратникам «сверх того, что они грабежом могут получить, по 10 руб. на человека деньгами и по хорошему кафтану, а потом отпустить их на волю, куда кто желает». «Царь» лично принимал участие в этом штурме. Один из ближайших пугачевских сподвижников Тимофей Мясников вспоминал: «...все были поощряемы ево смелостию и проворством, ибо когда случалось на приступах к городу Оренбургу или на сражениях каких против воинских команд, то всегда был сам напереди, нимало не опасаясь стрельбы ни из пушек, ни из ружей. А как некоторыя из ево доброжелателей уговаривали ево иногда, чтоб он поберег свой живот, то он на то говаривал: "Пушка де царя не убьет! Где де ето видано, чтоб пушка царя убила?"».
Повстанцы приблизились к городскому валу, и началась перестрелка. Поскольку ружейные выстрелы с вала не приносили вреда залегшим за горой пугачевцам, Рейнсдорп приказал егерям 6-й легкой полевой команды перейти Яик и обстрелять бунтовщиков. Восставшим пришлось отступить. Солдаты, бросившись с вала на отступавших, «порубили и покололи из них человек до 30». Многие бунтовщики думали спастись, перейдя по льду на другой берег Яика, «но за тонкостию льда, проломившись, утонули». Говорили, что и сам их предводитель чуть было не погиб, да был спасен яицкими казаками. Во время этого штурма были повреждены некоторые здания, в городе погибли несколько человек, в том числе не только защитники города, но и обыватели. После неудавшегося штурма и осаждавшие, и осажденные на время прекратили активные боевые действия.
Наступившие сильные морозы заставили Пугачева с войском перебраться из лагеря, находившегося между Бердской слободой и Маячной горой, в саму слободу в семи верстах от Оренбурга, которая до конца марта 1774 года стала своеобразной повстанческой столицей. Там «Петр Федорович» с комфортом устроился в теплом доме. До переселения в Берду самозванец жил в походных условиях, ночевал или в палатке, или в кибитке. Что же касается самих бунтовщиков, то до переезда в Берду они располагались в шалашах и балаганах, покрытых «для тепла» сеном, а также в землянках; лишь небольшая их часть разместилась по домам и сараям. Однако обилие съестного и хмельного, как думается, вполне компенсировало все эти неудобства. Провиант в пугачевское войско свозили «из тех мест, коими он завладел». И, как отмечал очевидец, «скотины ж, отогнанной из разных мест, весьма у него много». Разумеется, Пугачев делал все возможное, дабы походить на настоящего императора, а потому решил учредить гвардию, командиром которой стал Тимофей Мясников.