За рекою Юрзенем Михельсон успел разбить еще толпу мятежников и преследовал их до Саткинского завода. Тут узнал он, что Пугачев, набрав до шести тысяч башкирцев и крестьян, пошел на крепость Магнитную. Михельсон решился углубиться в Уральские горы, надеясь соединиться с Фрейманом около вершины Яика.
Пугачев, зажегши ограбленные им Белорецкие заводы, быстро перешел через Уральские горы и 5 мая приступил к Магнитной, не имея при себе ни одной пушки. Капитан Тихановский оборонялся храбро. Пугачев сам был ранен картечью в руку и отступил, претерпев значительный урон. Крепость казалась спасена; но в ней открылась измена: пороховые ящики ночью были взорваны. Мятежники бросились, разобрали заплоты и ворвались. Тихановский с женою были повешены; крепость разграблена и выжжена. В тот же день пришел к Пугачеву Белобородов с четырьмя тысячами бунтующей сволочи.
Генерал-поручик Декалонг из Челябинска, недавно освобожденного от бунтовщиков, двинулся к Верхо-Яицкой крепости, надеясь настигнуть Пугачева еще на Белорецких заводах; но, вышед на линию, получил от верхо-яицкого коменданта, полковника Ступишина, донесение, что Пугачев идет вверх по линии от одной крепости на другую, как в начале своего грозного появления. Декалонг спешил к Верхо-Яицкой. Тут узнал он о взятии Магнитной. Он двинулся к Кизильской. Но, прошед уже пятнадцать верст, узнал от пойманного башкирца, что Пугачев, услыша о приближении войска, шел уже не к Кизильской, а прямо Уральскими горами на Карагайскую. Декалонг пошел назад. Приближаясь к Карагайской, он увидел одни дымящиеся развалины: Пугачев покинул ее накануне. Декалонг надеялся догнать его в Петрозаводской; но и тут уже его не застал. Крепость была разорена и выжжена, церковь разграблена, иконы ободраны и разломаны в щепы.
Декалонг, оставя линию, пошел внутреннею дорогою прямо на Уйскую крепость. У него оставалось овса только на одни сутки. Он думал настигнуть Пугачева хотя в Степной крепости; но, узнав, что и Степная уже взята, пустился к Троицкой. На дороге, в Сенарской, нашел он множество народа из окрестных разоренных крепостей. Офицерские жены и дети, босые, оборванные, рыдали, не зная, где искать убежища. Декалонг принял их под свое покровительство и отдал на попечение своим офицерам. 21 мая утром приближился он к Троицкой, прошед шестьдесят верст усиленным переходом, и наконец увидел Пугачева, расположившегося лагерем под крепостию, взятой им накануне. Декалонг тотчас на него напал. У Пугачева было более десяти тысяч войска и до тридцати пушек. Сражение продолжалось целых четыре часа. Во все время Пугачев лежал в своей палатке, жестоко страдая от раны, полученной им под Магнитною. Действиями распоряжал Белобородов. Наконец мятежники расстроились. Пугачев сел на лошадь и с подвязанною рукою бросался всюду, стараясь восстановить порядок; но все рассеялось и бежало. Пугачев ушел с одною пушкою по Челябинской дороге. Преследовать было невозможно. Конница была слишком изнурена. В лагере найдено до трех тысяч людей всякого звания, пола и возраста, захваченных самозванцем и обреченных погибели. Крепость была спасена от пожара и грабежа. Но комендант, бригадир Фейервар, был убит накануне, во время приступа, а офицеры его повешены.
Пугачев и Белобородов, ведая, что усталость войска и изнурение лошадей не позволят Декалонгу воспользоваться своею победою, привели в устройство свои рассеянные толпы и стали в порядке отступать, забирая крепости и быстро усиливаясь. Майоры Гагрин и Жолобов, отряженные Декалонгом на другой день после сражения, преследовали их, но не могли достигнуть.
Михельсон между тем шел Уральскими горами, по дорогам малоизвестным. Деревни башкирские были пусты. Не было возможности достать нужные припасы. Отряд его был в ежечасной опасности. Многочисленные шайки бунтовщиков кружились около его. 13 мая башкирцы, под предводительством мятежного старшины, на него напали и сразились отчаянно; загнанные в болото, они не сдавались. Все, кроме одного, насильно пощаженного, были изрублены вместе с своим начальником. Михельсон потерял одного офицера и шестьдесят рядовых убитыми и ранеными.
Пленный башкирец, обласканный Михельсоном, объявил ему о взятии Магнитной и о движении Декалонга. Михельсон, нашед сии известия сообразными с своими предположениями, вышел из гор и пошел на Троицкую в надежде освободить сию крепость или встретить Пугачева в случае его отступления. Вскоре услышал он о победе Декалонга и пошел на Варламово с намерением пресечь дорогу Пугачеву. В самом деле, 22 мая утром, приближаясь к Варламову, он встретил передовые отряды Пугачева. Увидя стройное войско, Михельсон не мог сначала вообразить, чтоб это был остаток сволочи, разбитой накануне, и принял его (говорит он насмешливо в своем донесении) за корпус генерал-поручика и кавалера Декалонга; но вскоре удостоверился в истине. Он остановился, удерживая выгодное свое положение у леса, прикрывавшего его тыл. Пугачев двинулся противу его и вдруг поворотил на Чербакульскую крепость. Михельсон пошел через лес и перерезал ему дорогу. Пугачев в первый раз увидел перед собою того, кто должен был нанести ему столько ударов и положить предел кровавому его поприщу. Пугачев тотчас напал на его левое крыло, привел оное в расстройство и отнял две пушки. Но Михельсон ударил на мятежников со всею своею конницею, рассеял их в одно мгновение, взял назад свои пушки, а с ними и последнюю, оставшуюся у Пугачева после его разбития под Троицкой, положил на месте до шестисот человек, в плен взял до пятисот и гнал остальных несколько верст. Ночь прекратила преследование. Михельсон ночевал на поле сражения. На другой день отдал он в приказе строгий выговор роте, потерявшей свои пушки, и отнял у ней пуговицы и обшлага, до выслуги. Рота не замедлила загладить свое бесчестие.