Он начал боевые действия против правительства Василия Шуйского, именуясь «воеводой царевича Дмитрия». Его активно поддерживали казаки, служилые люди (дворяне) под руководством Прокопия Ляпунова, стрельцы во главе с Истомой Пашковым, а также холопы и крепостные крестьяне; в советской историографии восстание Болотникова рассматривалось как крестьянская война, в одном ряду с восстаниями Степана Разина и Емельяна Пугачёва.
Битва войска Болотникова с царской армией (Эрнест Лисснер)Под Кромами войско Болотникова было разбито армией воеводы Михаила Нагого (сентябрь 1606). Восставшие по пути на Москву подошли к Коломне. В октябре 1606 года посад Коломны был взят ими приступом, но кремль продолжал упорно сопротивляться. Оставив небольшую часть своих сил в Коломне, Болотников направился по Коломенской дороге в Москву. В селе Троицкое Коломенского уезда ему удалось разбить правительственные войска. 22 октября 1606 года Болотников остановился в селе Коломенском, в семи верстах от Москвы. Здесь он построил острог, и стал рассылать по Москве и разным городам грамоты, возбуждая обделенных и бедноту против богатых и призывая целовать крест законному государю Дмитрию Ивановичу.
Ополчение Болотникова росло, из него выделялись отдельные отряды, преимущественно из холопов, которые своими набегами и разбоями держали столицу в осадном положении. Москвичи уже готовы были подчиниться Болотникову, прося только показать им царевича Дмитрия, и даже начали с ним переговоры. Но Дмитрий так и не явился. Многие стали выражать сомнение в существовании Дмитрия и переходили на сторону Шуйского. В самом войске Болотникова произошел раскол: один лагерь составили дворяне и боярские дети, другой — холопы, казаки и прочий люд. У последних в предводителях был Иван Болотников, у первых — Истома Пашков и братья Ляпуновы. Между вождями возникли разногласия, в результате на сторону Шуйского перешли сначала Ляпуновы, а затем Истома Пашков. Шуйский тем временем основательно укрепил Москву и теперь принимал в своё войско ополченцев от переходивших на его сторону городов.
Видя, что силы Шуйского с каждым часом все увеличиваются, Болотников решил форсировать события. Он пытался взять штурмом Симонов монастырь, но был отброшен с большими потерями, после чего Василий Шуйский перешел от обороны к нападению. Болотников был вынужден уйти из острога. Московские ратные люди преследовали его до деревни Заборья, где верный Лжедмитрию воевода смог снова укрепиться. Однако пало и это укрепление; часть казаков, с атаманом Беззубцевым во главе, перешла на сторону Скопина-Шуйского, начальника московского войска. Болотников бежал. В Калуге он собрал до 10 000 беглецов и приготовился к обороне. В мае 1607 восставшим удалось разбить царские войска при обороне Калуги. После этого Болотниковым был начат 2-й поход на Москву. Обойдя Каширу, восставшие, числом до 38 тыс., встретились с правительственными войсками у реки Восьмы 5 июня 1607 года, где были разбиты воеводой И. М. Воротынским. После Восемской битвы войско под предводительством Болотникова было отброшено к Туле. В течение июня—октября 1607 Болотников руководил обороной Тулы, осаждённой войсками Василия Шуйского. Шуйский приказал построить на реке Упе, протекающей рядом с кремлём, плотину, которая подтопила часть помещений кремля, в том числе те, в которых находились запасы продовольствия. 10 октября 1607 года оборонявшиеся сдались.
