1 (14) сентября 1581 г. из Нижнего Чусовского городка казаки выступили в свой знаменитый поход. Ученые спорят о причинах похода. Многие сходятся в мысли, что это был так называемый «поход за зипунами», то есть казаки хотели пограбить, как это было на Дону, Волге, в Ногайских степях, а до холодов вернуться к Строгановым.
Дружина Ермака на стругах поднялась вверх по Чусовой. По Тагилу дошли до Туры и достигли владений Кучума. Первый бой казаки приняли у Епанчин-городка, который находился на месте современного Туринска Свердловской области. Здесь Ермак при помощи пищалей и пушек разогнал войско мурзы Епанчи.
Затем казаки заняли городок Чинги-Туру, который находился на месте Тюмени. Через несколько дней казаки достигли устья Тавды. На Тоболе произошли сражения у Караульного яра, Бабасанских юрт, Долгого яра (современная д. Худякова Тобольского района) и Карачин-городка (современное с. Карачино).
Решающая битва произошла у Чувашского мыса, откуда казаки двинулись вверх по Иртышу к столице Сибирского ханства. 26 октября (8 ноября) 1582 г. Ермак вступил в брошенную сибирскую столицу. Через четыре дня к Ермаку пришли остяки с низовий Иртыша, которые принесли ясак — мясо, рыбу и пушнину.
Без боя был взят Рачевский городок (недалеко от с. Демьянского). В городке казаки искали идола бога Рача.
20 мая 1583 г. отряд вышел на Обь. Здесь правил остяцкий князек Самар, который решил дать казакам отпор. В бою князь был убит, а войско его бежало. Казаки оставались в городке Самара целую неделю.
В начале весны 1584 г. Ермак предпринял новую экспедицию на север по Иртышу и Оби. Местные жители не оказывали сопротивления или сдавались после непродолжительной осады.
В том же году Ермак предпринял поход на Тавду. В низовьях Тавды был взят городок князька Лабуты. У речки Паченки сражение было таким жестоким, что тела убитых наполнили целое озеро, получившее название Поганого. По свидетельству Герарда Миллера, их кости лежали на дне озера и были видны и через сто лет.
6 августа 1584 г. Ермак спустился до городка Кошуки. Местные вогулы встретили атамана дружелюбно, принесли меха, рыбу и мясо.
Поднявшись дальше по Тавде, отряд без боя занял Таборинский городок.
4 октября казаки повернули назад в Сибирь. Отряд вез с собой меха, рыбу, взятые у таборинских и кошукских вогулов.
До июня 1585 г. Ермак активных действий не предпринимал. В июне атаман повел своих казаков в новый поход вверх по Иртышу. В Сибири остались голова Иван Глухов и Матвей Мещеряк с сотней казаков.
Первое столкновение произошло у городка мурзы Бегиша. Ермак провел наступление с такой силой, что противник пришел в смятение, и победа досталась казакам.
После короткой передышки казаки направились в татарские городки Шамшу, Супру, Ренчик, Салы и Каурдак. Жители не оказали сопротивления. Дальше следовал городок Тебендя. Правитель городка Елыгай ласково встретил Ермака. По преданию, Елыгай даже предлагал атаману в жены свою дочь, но Ермак отказался принять такой дар.
Относительно спокойно казаки дошли до Ишима. При устье этой реки произошло очередное сражение. Отряд татар внезапно напал на лагерь. В рукопашной схватке погибло пять казаков. Похоронив товарищей, отряд пошел дальше вверх по Иртышу.
Следующим селением на пути следования казаков был городок Ташатканы, где Ермак получил известие о том, что с юга движется в Кашлык караван купеческих судов, а Кучум имеет намерение на них напасть. С небольшой дружиной (чуть больше пятидесяти казаков) Ермак поспешил на выручку купцам. В месте впадения Вагая в Иртыш 5 августа 1585 г. казаки остановились на ночевку. Ночью отряд был перебит, а Ермак погиб. По преданию, он пытался добраться до струга. Но струги отнесло ветром от берега. Ермак, не дойдя до ладьи, попал на глубокое место и утонул.
В этой битве уцелело несколько казаков, бывших на стругах, видевших гибель атамана. С печальной вестью они вернулись в городок Сибирь. Известие о гибели Ермака произвело на казаков огромное впечатление. Они приняли решение уйти в Россию. На Русь из похода вернулось всего 90 человек.