12 июля 1774 года Пугачев взял Казань, однако пожар в городе и известие о приближении правительственного отряда Михельсона заставили его в этот же день отвести свои силы в лагерь у города в тот же день. Вечером Михельсон подошел к Арскому полю вечером. В его отряде было от 800 до 1200 человек, в то время как у Пугачева от 12 до 20 тысяч. Сразу же завязался бой. На следующий день в рапорте Щербатову Михельсон сообщал, что бой был тяжелым, а повстанцы оказались умелыми воинами, чего он не ожидал. Подполковник ударил в середину пугачевского войска, а на фланги отрядил майоров Дуве и Харина. Войска Михельсона, «невзирая на упрямство злодеев, пошли через болото» и обратили повстанцев в бегство. Дальнейшие действия правительственного отряда также были успешными: «Злодеи скольки ни усиливались, по пятичасовом сражении были единственно помощию Божиею совершенно разбиты» и, если верить Михельсону, потеряли убитыми «по меньшей мере до восьми сот человек», а пленными 737 бунтовщиков. Кроме того, Михельсону удалось отбить у повстанцев шесть орудий, «их лучшую артиллерию», а также «немалого числа обозу». Впрочем, были потери и у правительственных войск — 23 человека убитыми и 38 ранеными. По словам Михельсона, довершить разгром Пугачева помешали лишь «ночь, место и утомленные мои кони».
Пугачев на допросе в Яицком городке говорил о той стычке: «А как люди мои были не в порятке, то, потеряв я шесть пушек и несколько разбежавших людей, принужден был отворотить в свой стан». Пугачевские командиры Иван Творогов и Федор Чумаков на следствии подтвердили показания своего предводителя, заявив, что повстанческие силы были лишь отбиты от Казани, «а большаго вреда не учинено». Что крылось за словами Пугачева, что силы восставших в тот вечер «были не в порятке»? На большом московском допросе он пояснил: «...казаки ево, ворвавшись в город, напились, и много было пьяных». По свидетельству пугачевцев Федора Минеева и Дементия Верхоланцева, попойка продолжалась и после выхода из города.
На следующий день состоялось еще одно сражение близ Казани. Пугачев опять проиграл Михельсону, но и на этот раз не был разгромлен и даже не оставил надежды разбить правительственные войска и вновь прорваться в Казань. Для этого он набрал новых бойцов из окрестных жителей. Согласно донесению Михельсона Щербатову от 16 июля, в канун решающей битвы за Казань пугачевское войско состояло «более как в двадцати пяти тысячах человек». Справедливости ради следует сказать, что и сам он получил подкрепление от П.С. Потемкина, правда, куда более скромное. Усилившись «полутораста человеками пехоты», 15 июля Михельсон двинулся навстречу Пугачеву. Решающее сражение состоялось в тот же день на Арском поле.
Описывая его в уже известном нам донесении от 16 июля, Михельсон опять всячески подчеркивал достоинства противника: «Злодеи на меня наступали с такою пушечною и ружейною стрельбою и с таким отчаянием, коего только в лучших войсках найти надеялся, и малое мое число конечно б должно было уступить многолюдству злодеев, ежели бы не были подкреплены надеждою на Бога, усердием к Ее Императорскому Величеству нашей Всемилостивейшей Государыне и утверждены не были со мною умереть или победить...» По словам подполковника, бой продолжался четыре часа. Противники сражались на равных, «сначала стрельбою, а потом уже штыками и копьями». В конце концов равновесие было нарушено. Михельсон писал: «...я, взяв с собой последний мой резерв в сорок человек карабинер, ударил в то место, где подкрепление было нужнее, и злодеи сколько ни усиливались... были обращены в бег, с потерею всей артиллерии и до двух тысяч разных народов, по большей части иноверцев убитых, и живых взято до пяти тысяч человек...» Были захвачены знамена и боеприпасы, освобождены «до десяти тысяч и более душ» пленных, уведенных Пугачевым из Казани. Правительственные силы преследовали бунтовщиков «далее тридцати верст», но Пугачева поймать им так и не удалось — он «ударился в лес» и был таков. Потери в отряде Михельсона составили 35 убитых, 63 тяжелораненых и 58 легкораненых.
Не подлежит сомнению, что 15 июля правительственные силы нанесли восставшим серьезное поражение. Пугачев уходил от преследователей «с малым числом» людей, не забыв захватить с собой первую жену и детей. Что же касается остальной «толпы», то одни бунтовщики погибли, другие попали в плен, а третьи разбежались на все четыре стороны. Среди последних был и знаменитый повстанческий полковник Иван Белобородов. Он с женой и дочерьми и еще три казака «ходили трои сутки» по лесу, «разсуждая: естли итти им на Волгу, то они мест не знают; а буде пробиратца в дом, то опасались, что будут пойманы на заставах». В конце концов Белобородов велел жене и дочерям «идти х Казани и явитца, сказываясь отставного солдата Семена Шеклеина женою», а затем и сам решил сдаться властям, назвавшись простым повстанцем. Однако нашелся знакомый, который выдал его Михельсону. Затем были следствие и приговор. Белобородов был обезглавлен в Москве на Болотной площади 5 сентября 1774 года.
Екатерина II была весьма обрадована победой над самозванцем и щедро наградила победителей. В частности, сам Михельсон был произведен в полковники и награжден золотой шпагой, украшенной алмазами.