Dne . května 1915 Centrální mocnosti zahájily na haličské frontě průlom u Gorlice a v následujících měsících obsadily ruský zábor Polska a jižní část Pobaltí a posunuly frontu o stovky kilometrů na východ. Ruská armáda přesto zůstávala nezlomena, 23. května 1915 se do války zapojila Itálie, čímž se otevřelo nové bojiště pro rakousko-uherskou armádu. Ani potom však nebylo postavení Centrálních mocností fatálně oslabeno, naopak, po bulharském vstupu do války bylo obsazeno Srbsko. Italové nedosáhli žádných úspěchů a od počátku roku 1916 zuřila bitva u Verdunu.
V této situaci bylo obzvlášť žádoucí, aby alespoň carské armády zvítězily a pomohly tak oslabit protivníka. Útok ruských vojsk u jezera Naroč na litevsko-běloruském pomezí z března 1916 neuspěl – Němci ztratili 20 000 mužů, Rusové 100 000. V dubnu 1916 ruské velení přesto naplánovalo útok na široké frontě od Baltu až po rumunskou hranici. Hlavní nápor měl být veden proti německé armádě na severním úseku, a to armádami generála Alexeje Jermolajeviče Everta. Jižnímu seskupení ruských vojsk, tzv. Jihozápadnímu frontu, velel od března 1916 kníže Alexej Alexejevič Brusilov (1853–1926). Brusilovovy síly měly zaútočit jako první, odlákat německé zálohy ze severu a tím usnadnit Evertův útok, jenž měl započít o týden později.
Přestože východní fronta byla mnohem pohyblivější než západní, i ona měla charakter zákopové války, rakousko-uherská postavení byla tvořena třemi liniemi zákopů. Operaci tak předcházel důkladný letecký průzkum, jenž umožnil ruskému velení vytipovat slabá místa nepřátelských zákopových linií. Byla stanovena nová pravidla pro palebnou přípravu – na rozdíl od typického mnohadenního ostřelování nepřátelských pozic ruské dělostřelectvo útočilo na pečlivěji vybrané body a komunikace. Brusilov vedl své jednotky k tomu, aby se před útokem nepozorovaně soustředily v těsné blízkosti rakousko-uherských zákopů.
Ruskému útoku napomohla i rakousko-uherská ofenzíva na italské frontě z května 1916 – náčelník generálního štábu Conrad sebevědomě stáhl značné síly z východní fronty do Tyrol –šest zkušených divizí a velké množství těžkého dělostřelectva; uprázdněné místo zaujali nezkušení vojáci, kteří byli namísto výcviku využíváni k vylepšování obranných postavení. Z rakousko-uherského sektoru byla stažena i většina německých sil, které předchozího roku pomohly uskutečnit průlom u Gorlice. Brusilovovy síly na počátku operace čítaly celkem zhruba 630 000 mužů, proti nim stálo zhruba 500 000 rakousko-uherských vojáků.
I při tomto poměru sil byla ruská ofenzíva, která začala 4. června 1916, velice úspěšná – je pokládána za největší ruské vítězství první světové války. Hlavní ruský nápor směřoval proti 4. armádě bránící město Luck na Volyni, v severní části rakousko-uherského úseku východní fronty. Rakousko-uherské jednotky nebyly schopny efektivní obrany, 8. června Luck padl a 4. armáda utržila více než padesátiprocentní ztráty. Pád Lucku znamenal vážnou hrozbu pro významný železniční uzel Kovel, ležící o několik desítek kilometrů dál na severozápad. K dalšímu velkému ruskému úspěchu došlo na nejjižnější části fronty, v Bukovině. Síly generála Lečického dobyly její správní centrum Černovice a postupovaly ke Karpatům.
Ani na ostatních úsecích fronty se c. a k. armádě nevedlo dobře a Conrad byl nucen požádat svého německého kolegu Falkenhayna o pomoc. Ze západní fronty i ze severního úseku východní fronty začaly přijíždět německé divize, Conrad začal stahovat jednotky i z italské fronty. V následujících měsících podnikal Brusilov další útoky, již méně úspěšné – zčásti zásluhou toho, že svoji inovativní taktiku opouštěl a vracel se ke konvenčnějším metodám. Poslední z útoků Brusilovových armád skončil 20. září 1916. Tou dobou se jižní část východní fronty oproti stavu z počátku června posunula o desítky kilometrů na západ.
Ne všechny ruské cíle byly dosaženy. Útočícím vojskům se nepodařilo dobýt Kovel ani Lvov. Zejména původní hlavní účel operace nebyl vůbec splněn – generál Evert nedokázal navázat na Brusilovovy úspěchy a porazit německá vojska. Sotva co však lze Brusilovovi vyčítat méně. Pro rakousko-uherskou armádu byla ruská ofenzíva katastrofou. Do zajetí padlo čtyři sta tisíc rakousko-uherských vojáků, zdaleka nejen příslušníků slovanských národností. Celkové ztráty Centrálních mocností na východní frontě v červnu až září 1916 se odhadují na nejméně milion, výraznou většinu tvořili rakousko-uherští vojáci; ruské ztráty byly srovnatelné.
Rakousko-uherská armáda upadala do závislosti na německé, rakousko-uherské jednotky se do budoucna neobešly bez německé podpory. Výsledky ofenzívy přiměly Rumunsko k tomu, aby se přidalo k Dohodě. Brusilovova ofenzíva tak představovala jediný opravdový úspěch Dohody v roce 1916. To však nemohlo vyvážit vnitřní slabost Ruska – v době ukončení útočných operací v září 1916 zbýval carskému režimu již jen necelý půlrok existence. Samotný Brusilov sloužil Kerenského vládě i bolševikům a pokojně zemřel 17. března 1926 v Moskvě.