Разобраться с «оренбургскими замешательствами» правительство отрядило генерал-майора В. А. Кара, назначенного главнокомандующим над всеми войсками. В помощь ему отрядили генерала Фреймана — усмирителя волнений в Яицком городке зимой 1772 года, надеясь на знание тем местных условий. Любопытно, что регулярные части перебрасывались из Новгорода в Казань, из Бахмута в Царицын, из Могилёвской губернии к Саратову, то есть из западных регионов империи на Волгу. Указанное обстоятельство весьма красноречиво: власти прекрасно осознавали: с восстанием лучше всего бороться с помощью родных ей украинско-литовских сил, укреплённых немецким генералитетом.
Прибытие в район восстания Кара, Фреймана и ещё одного бригадира Корфа именуется в литературе первой карательной Экспедицией. Они посетили казанского губернатора Брандта, познакомившего их с текущей обстановкой. «Русские» генералы были преисполнены энтузиазма, считая, что «голытьба» разбежится, как только узнает об их приближении. Однако на деле всё вышло иначе, чем рисовалось бравым воякам. Вопреки ожиданиям, восставшие не уклонились от прямого боя и первыми атаковали царские части. Причём всё произошло настолько стремительно, что началось спешное отступление: в рядах регулярных войск возникла паника, солдаты начали бросать ружья, не обращая внимания на угрозы офицеров. Вместо Кара командование принял Фрейман, пытаясь остановить беспорядочное бегство. Спустя четыре дня в рапорте в Военную коллегию они уже иначе оценивали боевые способности пугачёвцев, подчёркивали их фанатизм. Тем не менее поражение стоило генералу Кару суда и разжалования. Так бесславно завершилась первая карательная экспедиция против восставших.
После этого успеха Пугачёв приступил уже к серьёзной организации увеличившегося войска. Сохранившиеся документы из лагеря повстанцев свидетельствуют о настойчивом желании утвердить боевую дисциплину и гражданский порядок на контролируемых местностях. Армия делилась на полки, которые иногда назывались отрядами, разной численности — от трёхсот до двух тысяч человек. Если полк состоял из представителей разных национальностей, то разделение происходило по сотням (татарская, марийская, башкирская, казацкая и др.) Большое значение придавалось подбору командиров, при их выдвижении в обязательном порядке учитывалось общее мнение о кандидате. Полки имели знаки отличия и походные знамёна из красной, жёлтой и чёрной материи.
По подсчётам учёных, командный состав армии — полковники, сотники — достигал порядка двухсот человек: казаками являлись 52, крепостными крестьянами — 38, заводскими людьми — 35, среди них также были и татары, и башкиры, и калмыки, и казахи. Функции главного штаба выполняла возглавляемая Пугачёвым военная коллегия, включавшая четырёх членов-судей в лице М. Шигаева, А. Витошнова, Д. Скабычкина, И. Творогова, секретаря — М. Горшкова, думного дьяка И. Почиталина. В работе коллегии постоянное участие принимали К. Арасланов, И. Бахмутов, С. Сеитов, М. Алиев, Ф. Дербетев, выступая переводчиками и советниками. Военная коллегия работала на постоянной основе, решая разнообразные вопросы вооружения, снабжения, выдачи охранных грамот и т. д. Причём случаи грабежа повстанцами местного населения жёстко пресекались. К примеру, по решению коллегии за разбой был повешен полковник Д. Лысов: высокая должность и близость к Пугачёву не спасли его от сурового наказания.
После разгрома группировки Кара — Фреймана занятые восставшими территории существенно расширились. В орбиту движения вовлекаются Южный и Средний Урал, где располагались многочисленные горные заводы. К весне 1774 года пугачёвцы хозяйничали на трёх четвертях горнозаводской промышленности региона. На этих предприятиях, будь то частное или казённое, подвергалось реквизиции имущество: деньги, пушки, ядра, порох отправлялись в ряды народной армии, использовались повстанческими отрядами на местах. Конторские книги и долговые обязательства сжигались, администрация разбегалась. Заводское население выдвинуло немало способных энергичных вожаков, как, например, крепостной рабочий Иван Белобородов.
Другим направлением, по которому шло распространение восстания, стал Ставропольско-Самарский край, населённый преимущественно помещичьими крестьянами. Бригадир Фегезак извещал Петербург о появлении там агитаторов и начавшихся грабежах усадеб: причём в бунте самое активное участие принимали чуваши, мордва, татары. Свыше десяти пугачёвских отрядов разъезжали по сёлам, заготовляли продукты для отправки под Оренбург, в Берду. Отзвуки происходящего наполняли Москву, где кишели зловещие слухи. Екатерина II даже велела Московскому генерал-губернатору М. Н. Волконскому издать указ «о неболтании» всякого вздора.
Генерал-аншефа А. И. Бибикова, назначенного подавлять бунт, уже отличал самый серьёзный настрой. За его плечами был богатый опыт усмирения заводских рабочих Казанской и Оренбургской губерний. Теперь же командующего войсками наделили неограниченными полномочиями, не только военными, но и гражданскими. Бибикова пугала обширность территории, охваченной восстанием, беспомощность местных гарнизонов и бездействие регулярных частей. Особенно его поражала враждебность населения, сочувствовавшего Пугачёву. Поэтому, несмотря на продолжавшуюся войну с Турцией, он сразу же начал просить о присылке новых войск и, чтобы хоть как-то успокоить дворянство, посоветовал Екатерине II принять на себя звание «почётной казанской помещицы» и организовать под её эгидой вооружённый отряд для борьбы с бунтовщиками.
Кстати, с этих пор правительственные манифесты о самозванстве Пугачёва стали переводиться на татарский язык и распространяться повсюду. Войска под началом генералов Деколон-га, Муфеля, Кардашевского, Голицына, Михельсона, Ларионова, командовавшего дворянским ополчением, кинулись на помощь Оренбургу, находившемуся под осадой. В городе складывалась напряжённая ситуация, не хватало продовольствия, продолжались обстрелы, сменявшиеся ночными штурмами. Губернатору Рейнсдорпу посылались предложения о сдаче, но тот называл Пугачёва «злодеем, отступившим от бога»; в ответ же «русского» вельможу окрестили «внуком сатаны, дьявольским сыном», который «власть божию не перемудрит». Очевидно, что у сторон, представлявших, как считалось, одну православную нацию, были диаметрально противоположные понятия о вере.
Появление крупных правительственных сил оказалось для Пугачёва неожиданным. Успокоенный предыдущими успехами, он неясно представлял себе изменившуюся обстановку и недооценил начатого против него наступления. О его благодушном настроении свидетельствует и вторая женитьба на Устинье Кузнецовой, сопровождавшаяся многодневными весельями. Многим его сторонникам не понравилось, что в такое ответственное время их «царь» предаётся гуляниям. Лишь тревожные вести из-под Оренбурга прервали затянувшиеся свадебные торжества.
Сражением с царскими войсками у Татищевой крепости 22 марта 1774 года Пугачёв руководил уже лично. Однако теперь его воинство не выдержало атак подразделений Фреймана и Аршеневского. В этой битве погибла лучшая часть народной армии, многие командиры, всего около трёх тысяч человек, четыре тысячи попали в плен, была утрачена почти вся артиллерия. Поражение гнетуще подействовало на восставших: из их столицы — деревни Берда — началось отступление, поскольку опасность появления там противника была высока. На этой уже печальной ноте завершилась вторая карательная экспедиция против Пугачёва.
Здесь дала о себе знать ахиллесова пята восстания, а именно его раздробленность, локальный характер, что наблюдалось уже с начала боевых действий. При быстром распространении восстания и возникновении повстанческих соединений движение в каждом случае не выходило за пределы конкретного района, уезда. Радиус действия отдельных отрядов был незначителен. Восставшие ставили целью истребление местной администрации, помещиков и заводчиков. Большинство, поддержавшее Пугачёвцев, часто оставалось на своих местах после ухода отрядов, продолжая борьбу в своём уезде. Лишь некоторые пугачёвские части группировались вокруг крупных городов (Уфа, Самара, Челябинск, Кунгур, Яицкий городок). То обстоятельство, что после первых побед Пугачёв не пошёл на Москву, а затеял осаду Оренбурга, объясняется стремлением контролировать всю пограничную полосу. Лишь с укреплённым тылом можно было осуществлять поход в центр России. Но главное: собрать в кулак все имеющиеся силы никак не удавалось. Они оказались мало связанными между собой, не объединёнными общим планом.
И всё-таки торжество правящей элиты было преждевременным: Пугачёв потерял силы, но не утратил самого главного — народной поддержки. Как говорил один из вожаков восстания, старовер Перфильев, «я знаю, что вся чернь меня везде с радостью примет, лишь только услышит». Последующие события наглядно подтвердили справедливость этого утверждения. Главнокомандующий Бибиков в течение месяца после победы не имел точных сведений о местопребывании самозванца и предполагал, что всё в основном сделано. Тем не менее Пугачёв с остатками своей армии объявился на горных заводах Башкирии и здесь начал стремительно восстанавливать силы. В его ряды по-прежнему вливались массы людей. Как писал Павел Потёмкин своему двоюродному брату — екатерининскому фавориту Григорию Потемкину, «самое главное несчастье, что на народ нельзя положиться».
Однако теперь ситуация изменилась, вновь формирующиеся отряды восставших постоянно находились в напряжении: их неустанно преследовали корпуса Деколонга и Михельсона. И всё же Пугачёв при таких неблагоприятных условиях смог в июле 1774 года не просто осадить, но и штурмом взять Казань, что повергло в шок Петербург; лишь неимоверными усилиями (Город был отбит. Все эти потрясения оказались роковыми для Бибикова, скончавшегося от переживаний. Любопытно, что народная молва иначе объясняла его смерть: якобы тот «съехался с государем (то есть Пугачёвым) и, увидев точную его персону, весьма устрашился и принял крепкое зелье». Кстати, примерно так же интерпретировалось назначение новым командующим Н. И. Панина — наставника-учителя сына Петра ІІІ Павла. Это назначение сопровождалось слухами, будто Панин прислан Павлом Петровичем для переговоров с отцом (Пугачёвым).