Восстание Пугачёва постепенно перерастало в крестьянскую войну. Приближённые Пугачёва были отправлены в разные края для организации новых полков и расширения сферы действий. В декабре 1773 г. И. Зарубин-Чика направился на уральские заводы для организации литья пушек, а затем двинулся на штурм Уфы. Изначально в его распоряжении было всего 4 тыс. человек, но всего за несколько дней отряды пополнились и насчитывали уже более 10 тыс. воинов. Однако взять Уфу не удалось, несмотря на численное преимущество. Восставшие испытывали острую нехватку современного оружия: большинство имело лишь луки и стрелы, что оказалось слишком слабым средством против пушек и ружей. Подобно Оренбургу, Уфа подвергалась осаде вплоть до марта 1774 г.
Тем временем поднялся Урал. Посланный туда казак Иван Кузнецов привлёк к восстанию работных людей Катав-Ивановского, Саткинского и других заводов. Ещё раньше к повстанцам присоединился Воскресенский завод. На Среднем Урале в октябре–ноябре 1773 г. образовался обширный район восстания, охватывавший Пермский край и Кунгур. Руководителем войск здесь стал опытный артиллерист И. Н. Белобородов. Работные люди и приписные крестьяне часто переходили к повстанцам целыми общинами. К февралю 1774 г. восстание охватило 92 завода Урала, то есть около ¾ всего горнозаводского центра страны перешли на сторону Пугачёва. Белобородов стал угрожать Екатеринбургу.
В Поволжье, в Ставропольско-Самарском крае, к декабрю 1773 г. действовало более 10 крупных отрядов. В руках повстанцев оказались Бузулук, Самара и ряд крепостей.
Правительство всё яснее осознавало опасность происходящего. За голову Пугачёва была назначена награда в 10 тыс. рублей. Продолжалось направление регулярных войск в районы восстания. Главнокомандующим был назначен генерал А. И. Бибиков.
В марте 1774 г. восставшие потерпели ряд крупных поражений (Пугачёв под Татищевской крепостью, Зарубин-Чика под Уфой). В конце февраля — начале марта правительственные войска сожгли основную базу Белобородова на Среднем Урале — Шайтанский завод, и к концу марта восстание в этом районе оказалось в основном подавлено. После тяжёлого поражения под Татищевой крепостью, потеряв множество людей, Пугачёв был вынужден прекратить почти полугодовую осаду Оренбурга. В начале апреля 1774 г. с небольшим отрядом в 500 казаков предводитель восстания ушёл на Урал.
После гибели многих сподвижников борьбу продолжали Белобородов, Кинзя Арсланов и Салават Юлаев. Несмотря на большие потери, ряды повстанцев быстро пополнялись за счёт угнетённых. Продвигаясь по Уралу, Пугачёв оставлял за собой сожжённые крепости и разрушенные мосты, сам участвуя в боях. Центром восстания стали Южный Урал и Башкирия. После взятия Магнитной армии повстанцы объединились и насчитывали свыше 10 тыс. человек, но были плохо вооружены и необучены, за исключением полка Белобородова. В мае 1774 г. под Троицкой крепостью Пугачёв потерпел тяжёлое поражение от генерала Деколонга, потеряв 4 тыс. человек, обоз и артиллерию. Однако уже через месяц его войско вновь насчитывало около 8 тыс. человек. В июне, соединившись с конницей Салавата Юлаева, Пугачёв двинулся на запад, в Поволжье, где армия выросла до 20 тыс. человек.
12 июля 1774 г. повстанцы ворвались в Казань, однако Кремль продолжал обороняться. Подоспевшие войска Михельсона разгромили Пугачёва, и 15 июля его новая попытка взять Казань также окончилась поражением. Крестьянская армия потеряла более тысячи убитыми, многие попали в плен, среди них Белобородов. Пугачёв с четырьмя сотнями казаков переправился на правый берег Волги.