Оренбургский губернатор Иван Андреевич Рейнсдорп узнал о начавшемся бунте 21 сентября от некоего илецкого казака, сообщившего о падении городка. В тот же день губернатор обратился с «увещеванием» к яицким и илецким казакам, которое, правда, своей цели не достигло. Губернатор послал секретное письмо оренбургскому обер-коменданту генерал-майору Карлу Валленштерну с требованием вернуть солдат из отлучек и приготовиться к обороне. Однако до 24 сентября губернатор не предпринимал никаких активных действий. 22-го числа он давал бал по случаю одиннадцатой годовщины коронации Екатерины II. Во время бала пришло донесение коменданта Татищевой крепости полковника Елагина с подтверждением падения Илецкого городка. Чуть позже в Оренбурге был получен рапорт от коменданта Яицкого городка подполковника Симонова, в котором выражалось опасение, как бы Пугачев не склонил на свою сторону Нуралы-хана. В Оренбург прибыл и посланец самого хана с предложением помощи против самозванца, но Рейнсдорп отказался, надеясь справиться с бунтом своими силами.
Губернатор приказал бригадиру барону Христиану Христиановичу фон Билову отправиться к Илецкому городку с шестью орудиями и отрядом в 410 человек: 110 солдат Алексеевского полка, 90 гарнизонных солдат, 60 ставропольских калмыков и 150 оренбургских казаков под начальством сотника и депутата Уложенной комиссии 1767 года Тимофея Подурова. Кроме того, коменданту Яицкого городка предписывалось сформировать из частей 6-й и 7-й легких полевых команд отряд во главе с майором Наумовым и отправить его на помощь Билову. Для этой же цели выделялось 500 ставропольских калмыков, столько же башкир и 300 сеитовских татар. За поимку живого Пугачева Рейнсдорп назначил награду — 500 рублей, а за его труп — 250.
Билов со своим отрядом вышел из Оренбурга 24 сентября, а в ночь на 25-е прибыл в Татищеву крепость. Утром 26-го числа он отправился к Нижнеозерной, однако, получив от коменданта этой крепости майора Харлова рапорт о разгроме Пугачевым суринского отряда с просьбой о помощи, на выручку не поспешил, ибо полагал, что «помянутый злодей следует к Нижне-Озерной крепости уже в трех тысячах». Посоветовав Харлову спасаться любыми способами, Билов остановил свой отряд в поле, где и узнал о падении Нижнеозерной, после чего повернул назад к Татищевой крепости, чтобы дожидаться повстанцев там.
Татищева крепость, построенная неправильным четырехугольником, стояла на возвышенности недалеко от впадения в Яик ее правого притока Камыш-Самары. На тот момент крепость, окруженная бревенчатой стеной с рогатками и установленными по углам батареями, считалась самой сильной крепостью Яицкой линии. Гарнизон Татищевой после присоединения к нему отряда Билова увеличился до тысячи человек при тринадцати орудиях, а значит, мог оказать достойное сопротивление бунтовщикам. Правда, чтобы отстоять крепость, сил оказалось недостаточно.
Пугачевское войско подошло к Татищевой крепости 27 сентября. Чтобы склонить гарнизон на свою сторону, Пугачев посылал в крепость казаков на «переговорку», а возможно, даже отправил туда «царский» указ. Разумеется, ни бригадир Билов, ни комендант полковник Григорий Елагин не собирались переходить на сторону самозванца. Еще до «переговорки» навстречу повстанцам из крепости выдвинулся разведывательный отряд, который был ими разгромлен. Затем Билов приказал Тимофею Подурову «со всеми казаками выехать за крепость» навстречу приближавшимся бунтовщикам и «разсыпаться по степи», полагая, что те, «устрашася» их «множества», отойдут назад. Однако, если верить следственным показаниям Подурова, получился обратный эффект — устрашились сами защитники крепости: увидев, что повстанцы открыли огонь по казакам Подурова, бригадир приказал отряду отступить в крепость. Впрочем, имеются сведения, что подуровцы в крепость не возвращались, а уже тогда перешли на сторону мятежников. Стоит отметить, что еще в ночь с 26 на 27 сентября из Татищевой ушли калмыки.
Повстанцы решили идти на штурм. «А как был жестокой из крепости отпор», то Пугачев приказал поджечь вблизи от крепостных стен «лежащее в стогах сено», откуда огонь перекинулся на деревянные укрепления. Как вспоминал самозванец, «народ же, бывшей тамо, оробел, а мои ободрились и тотчас в крепость ворвались». В самой крепости серьезного сопротивления оказано не было. По словам Пугачева, «из ево толпы побито пять казаков: до смерти — три, да ранено два». Многие казаки и солдаты, находившиеся в крепости, сочувствовали «Петру Федоровичу». Захватив Татищеву крепость, самозванец «велел всех солдат привесть в верности в службе к присяге и остричь всех по-казачьи». С дворянами поступили по-другому. Раненого бригадира Билова повстанцы добили во время штурма. Татищевского коменданта Елагина, его жену Анисью Семеновну и укрывавшуюся здесь вдову коменданта Рассыпной крепости Веловского Ирину Даниловну повстанцы казнили. Тогда же Пугачев захватил дочь Елагина, семнадцатилетнюю Татьяну, жену коменданта Нижнеозерной крепости майора Харлова, отправленную мужем к родителям. Вместе с одиннадцатилетним братом Николаем они были схвачены мятежниками. Как вспоминал сам Пугачев, яицкие казаки хотели их убить, но он не позволил и взял пленников под свою опеку. Татьяна стала его наложницей, но в конечном счете и это не спасло ее и брата от расправы. В начале ноября 1773 года казаки расстреляли Татьяну с Николаем под Бердской слободой.
Почему гарнизоны Татищевой и прочих крепостей, находившихся на пути к Оренбургу, сочувствовали Пугачеву и так легко переходили на его сторону? Чиновник следственной комиссии Савва Иванович Маврин в одном из посланий императрице писал, что хотя в каждой из крепостей имелись воинские команды, таковыми они были только по названию, ибо «служивые люди являлись больше хлебопашцами, чем воинами». «...да они в том и невиновны, — оправдывал "служивых" Маврин, — для того, что все командиры в оных местах имеют свои хутора и живут помещиками, а они их данники». Что же касается самих крепостей, то и они, по мнению Саввы Ивановича, «только одно название имеют, а чем были ограждены, давно сгнило и в развалинах».
Взятие Татищевой крепости значительно усилило пугачевское войско. Здесь самозванец захватил «немалое число полковой, кабацких и соляных сборов денежной казны, многое число военной амуниции, провианта, соли и вина, да и самую лучшую артиллерию с ее припасами и служителями». Повстанческая армия пополнилась казаками и солдатами гарнизона крепости. По мнению известного ученого Петра Ивановича Рычкова, находившегося в то время в Оренбурге, после захвата Татищевой в войске самозванца насчитывалось «около 3000 человек». Войско Пугачева становилось действительно грозной силой. И теперь его предводителю и его окружению предстояло выбрать, куда идти дальше, ибо один путь из Татищевой вел на Самарскую линию и далее на Казань, другой — на Оренбург. Повстанцы выбрали второй маршрут. Советский историк В.В. Мавродин писал: «Считая овладение Оренбургом, вечно висевшим дамокловым мечом над яицким казачеством, основной целью боевых действий на данном этапе, яицкие казаки, предводительствуемые Пугачевым, двинулись к Оренбургу».