やがて15世紀に入るとキプチャク・ハン国の中央政権が弱体化し、ヴォルガ川流域では1438年にヴォルガ中流にカザン・ハン国、ヴォルガ下流には1466年にアストラハン・ハン国が建国された。1480年にはモスクワ大公国が独立し、1502年にはキプチャク・ハン国は首都サライをクリミア・ハン国に攻略されて滅亡した。これ以降も上流域がロシア人、中下流域がトゥルク系の両国の支配下にある状況はしばらく続いたが、16世紀なかばにはモスクワ大公国のイヴァン4世（イヴァン雷帝）がこの両国に進攻を開始し、1552年にはカザン・ハン国が滅亡、1556年にはアストラハン・ハン国が征服され、アストラハン滅亡を危惧したオスマン帝国の侵攻も退けて、ヴォルガ流域はすべてモスクワ大公国領に統一された。この統一は以後現代にいたるまで続き、ヴォルガ流域はロシアの中心部としての扱いを徐々に受けるようになっていった。手中に収めたヴォルガ川本流の支配を確実なものとするため、モスクワ大公国はフョードル1世次代に、ヴォルガ川沿いにサマーラ（1586年）、ツァリーツィン（1589年）、サラトフ（1590年）と次々と要塞を建設していき、これが現在の中下流域のヴォルガ沿岸の重要都市の起源となった。17世紀初頭の大動乱期にはポーランドのロシア侵入によって首都モスクワが陥落し、一時ロシアの中央政権が不在となったが、この際もヴォルガ沿岸まではポーランド・リトアニア共和国軍は到達することができず、とくにヴォルガ上・中流の諸都市はロシアの反攻の拠点となった。1611年、ニジニ・ノヴゴロドでクジマ・ミーニンによって義勇軍が結成され、ドミートリー・ポジャールスキー率いる義勇軍はポーランド軍を撃破してモスクワを解放した。これを受けて1613年に召集された身分制議会ゼムスキー・ソボルで、コストロマに隠棲していたミハイル・ロマノフが新たにツァーリに選出され、ロマノフ朝が成立した。