В мае в критическом положении оказалась итальянская армия. Начатое 15-го числа наступление австрийцев привело к прорыву итальянских позиций в районе Трентино на фронте шириной 60 км. Король Италии Эммануил III послал Николаю II телеграмму с личной просьбой ускорить начало запланированного наступления в Галиции.
4 июня 1916 г. войска Юго-Западного фронта (643,5 тыс. штыков, 71 тыс. сабель и 2,2 тыс. орудий) под командованием генерала А. А. Брусилова начали наступление и прорвали оборону австро-венгерских и германских войск на протяжении 70—80 км и в глубину от 25 до 35 км.
Наибольшего успеха добились войска 8-й армии под командованием генерала А. М. Каледина, взявшие Луцк. Австро-венгерские войска отступали, неся большие потери. Уже в первые дни операции в плен сдалось около 100 тыс. человек.
После неудачной атаки войск Западного фронта в направлении Барановичей в начале июня русское командование 16 июня приняло решение перенести основные усилия на юго-запад, несмотря на возражения А. А. Брусилова, выражавшего озабоченность по поводу израсходования его войсками за первые две недели наступления артиллерийских снарядов. Отразив контрудар переброшенного из Франции 10-го германского армейского корпуса и некоторых других немецких частей в направлении Луцка, войска фронта продолжали наступать до 25 июня. Общие потери противника превысили к этому времени 400 тыс. человек. Русские войска потеряли около 290 тыс. После месячной остановки, вызванной истощением войск, 28 июля наступление вновь возобновилось. Были захвачены города Галич, Броды, Станислав. Однако достигнуть ощутимых стратегических результатов в сложившейся обстановке было уже нельзя. Попытки штурмовать Ковель оказались тщетными и привели к большим потерям. Не получив поддержки других фронтов, Брусилов в сентябре был вынужден остановить своё наступление.
Наступление русского Юго-Западного фронта привело к серьёзным стратегическим результатам. Войска Австро-Венгрии потерпели сокрушительное поражение, потеряв убитыми, ранеными и пленными около 1,5 млн человек. (Потери русских армий были сопоставимыми и составили, по некоторым оценкам, около 1 млн солдат.)