К тому времени Татищева крепость уже около шести месяцев находилась в руках повстанцев; ею управляли назначенные Пугачевым атаманы — сперва местный священник Стефан Симеонов, а затем живший здесь ссыльнопоселенец Андрей Шадрин. Прибыв в Татищеву в середине марта 1774 года, Пугачев занялся ее укреплением, поскольку в ней «никакой огорожи не было» (оборонительные сооружения были разрушены во время захвата крепости в конце сентября 1773 года). Он приказал соорудить «з двух сторон снежной вал», по которому «разставили пушки». Снег насыпали пленные безоружные солдаты из бывшего Чернышевского отряда. Чтобы затруднить штурм, вал был залит водой, превратившейся на морозе в лед. Пугачев лично руководил расстановкой орудий: «размерил дистанцию, сколь далеко будут брать его пушки ядрами и дробью, и поставил в тех местах колышки и навел в удобные места пушки», а также отобрал состав орудийной прислуги — были выбраны «самые проворные люди, а правильно показывал стрелять сам Пугачев». По задумке Пугачева и Овчинникова, правительственные войска должны были быть атакованы неожиданно, а потому был отдан приказ «чтобы была совершенная в городе тишина, и чтобы люди всячески скрылись, дабы не видно было никово и до тех пор к пушкам и каждому к своей должности не приступать, покуда корпус князя Голицына не подойдет на пушечный выстрел ядром».
Поначалу повстанцам удалось ввести противника в заблуждение. 21 марта ранним утром Голицын произвел рекогносцировку. Поскольку разъезды, посылаемые им к Татищевой, никого не встретили, то Голицын решил, что повстанцы не собираются защищать крепость и покинут ее без боя. Однако к вечеру выяснилось, что бунтовщики не намерены сдавать Татищеву и что их много. Утром 22 марта к Татищевой вышел авангард правительственных войск под начальством полковника Юрия Бибикова, а через час после него — основные силы. Не доходя четырех верст до Татищевой, Бибиков выслал на разведку разъезд из трех чугуевских казаков. Увидев их, пугачевцы, в свою очередь, отправили им навстречу бабу, которой приказали: «...как ее казаки спросят, есть ли кто в крепости, то б она сказала, что злодеи были, да уехали». Баба исполнила все в точности, и казаки въехали в ворота крепости, после чего повстанцы пытались их схватить, однако двоим разведчикам удалось бежать. Попытка догнать их не увенчалась успехом, был пленен лишь один казак, сообщивший о составе правительственного корпуса.
Через некоторое время отряд Голицына появился у Татищевой. Его правой колонной командовал генерал Мансуров, левой — генерал Фрейман. С правой стороны шел также авангард Юрия Бибикова. Пугачевцы, несмотря на то, что были обнаружены, огонь не открывали. На следствии самозванец говорил, что «стрелять не велел для тово, чтоб наждать на себя и не терять напрасно ядер». Однако когда противник начал орудийный обстрел Татищевой, повстанцы ответили. Артиллерийская перестрелка продолжалась несколько часов, после чего Голицын бросил на штурм части Фреймана. Пугачевцы отбили нападение и даже перешли в контратаку, одновременно призывая солдат прекратить братоубийственное сражение. В течение нескольких часов шел отчаянный бой с переменным успехом. В бой со стороны Голицына был введен последний резерв из сводного батальона Вятского и Томского полков. Генерал Фрейман лично со знаменем 2-го гренадерского полка бросился в решающую атаку, войска атаковали «по грудь в снегу». Генерал Голицын также шел в рядах атакующих «с обнаженной шпагой». Наконец, Голицын послал в бой последний резервный батальон гвардии капитан-поручика Толстого и ударил всеми силами по мятежникам, а чтобы отрезать им пути к отступлению, приказал занять Илецкую и Большую Оренбургскую дороги.
Видя, что дело идет к поражению и «надежды нет отбитца», Пугачев, согласно его показаниям в Яицком городке, решил бежать в Берду к основной армии, оставив вместо себя во главе войска Овчинникова, которому приказал продолжать сражение сколько возможно. На большом московском допросе Пугачев уже несколько по-иному рассказывал о своем бегстве: якобы он решил покинуть поле боя не по собственной инициативе, а по совету Овчинникова. Пугачев поскакал в Берду, взяв с собой яицких казаков Ивана Почиталина, Василия Коновалова, Григория Бородина и своего шурина Егора Кузнецова. Чугуевские казаки из голицынского отряда бросились в погоню за беглецами, но так как у Пугачева и его «товарыщей» «кони были самые хорошие», догнать их не удалось.
Бой же в Татищевой закончился тяжелым поражением повстанцев. По воспоминаниям генерала Фреймана, пугачевцы «в одних рубахах, перевязав белыми платками», отбивая одну атаку за другой, «отважно защищались» и на стенах крепости, и внутри нее уже в то время, когда исход сражения был предрешен. Овчинников продолжал бой, пока не закончились орудийные заряды, а затем с тремя сотнями оставшихся казаков сумел прорваться и отойти к Нижнеозерной крепости. Войска преследовали повстанцев на протяжении 11 верст. Потери повстанцев составили 1315 человек убитыми в крепости и 1180 убитых при отступлении, среди которых был и атаман Арапов, около 4 тысяч человек было взято в плен («290 яицких и илецких казаков и более трех тысяч разнаго сброда...»), из них большое количество раненных, в крепости осталась вся артиллерия и обоз; правительственные же войска потеряли 141 человек убитыми и 516 ранеными. Князь Голицын в своем рапорте А. Бибикову писал: «Дело столь важно было, что я не ожидал такой дерзости и распоряжения в таковых непросвещенных людях в военном ремесле, как есть сии побежденные бунтовщики».
Итак, повстанческое войско было разбито, Овчинников с тремя сотнями казаков отступил к Нижнеозерной крепости, а позже ушел в Илецкий городок; остальные уцелевшие бросились бежать степью по направлению к Переволоцкой крепости. Пугачев, еще раньше покинувший Татищеву, прибыл в Берду 22 марта под вечер. На следующий же день Пугачев покинул Берду с отборными войсками, в котором, по словам его предводителя, в его войске насчитывалось «тысяч до пяти» (по другим сведениям, около двух тысяч), приказав остальной «толпе», состоявшей большей частью из крестьян, «чтоб оне убирались, кто куда хочет». В передаче Хлопуши приказание повстанческих властей командирам звучало следующим образом: «...подите и скажите, чтоб все доброконные с нами были готовы, а пехота чтоб шла куда хочет». Пугачев отправился к Яицкому городку через Переволоцкую и Сорочинскую крепости.
Так закончилась блокада Оренбурга, длившаяся без малого полгода. Оренбуржцы ликовали. Получив вести о поражении восставших и их уходе из Берды, торговцы резко снизили цены на хлеб. Из Берды в Оренбург потянулись люди «на лошадях верхами, на санях и на дровнях, с разным их имуществом, а многие везли с собою хлеб и сено, большая ж часть шла оттуда пешие, в том числе были женщины и ребята». Есть данные, что уже 23 марта «вышло оттуда до 800 человек», а в последующие дни до четырех тысяч. В эти дни покинули Берду и некоторые известные бунтовщики, не желавшие следовать за самозванцем, среди них пугачевский секретарь и атаман М. Шванвич.
За победу у Татищевой Екатерина II произвела Бибикова в подполковники лейб-гвардии Измайловского полка, генералы Мансуров и Фрейман были награждены орденами Святой Анны, генералу Голицыну было пожаловано имение в Могилевской губернии. Два офицера, доставившие императрице донесение об одержанной победе, были досрочно произведены в следующие чины, все остальные участники боя, включая солдат, были пожалованы «третным жалованием».