Брусилов считал необходимым закончить подготовку наступления к 28 апреля и приказывал командующим армиям представить свои соображения по операции к этому числу. В то же время он предоставлял им полную инициативу действий, но требовал, чтобы они наступали по всему фронту армии. Особая роль отводилась взаимодействию пехоты и артиллерии. Орудия предлагалось разместить в максимальной близости от передовой полосы и подчинить их управление командирам пехотных атак. В первый период атаки легкая артиллерия должна была разрушить проволочные заграждения противника, состоящие из трех полос, или проделать в них проходы. Потом в дело включалась и тяжелая артиллерия, которая разрушала первую и вторую линии обороны прежде всего пулеметные гнезда. После перехода пехоты в атаку тяжелая и мортирная артиллерии наносили огонь по скоплению резервов противника и по третьей линии его обороны, если таковая имеется. Брусилов предвидел и действия артиллерии в случае начала контратак противника: одна часть артиллерии образовывала для пехоты огневую завесу, другая начинала подавление артиллерийских батарей противника.
Командующий фронтом подчеркивал, что между первым и вторым периодами атаки не должно быть большого промежутка, который мог дать противнику время для создания нового рубежа обороны. После артиллерийской подготовки должна была начаться атака пехоты, идущей цепями на расстоянии в 150—200 шагов. Передовая волна, ворвавшись в первую линию обороны противника, должна была не останавливаться, а пытаться захватить вторую линию обороны и закрепиться в ней. Брусилов знал, что основная линия обороны противника – вторая, которая в случае задержки может подвергнуть передовую волну истребительному огню. Поэтому он и придавал такое особое значение овладению именно этой линией. Закрепление же в первой полосе должно быть возложено на резервы. При удаче прорыва дальнейшее преследование возлагалось на кавалерию.
Фронт предстоящей атаки был разбит на особые участки. С самолетов велась аэрофотосъемка. Схемы с нанесенными на них позициями австрийцев отличались достаточной точностью. Их получил весь командный состав фронта вплоть до командиров рот. План и день начала наступления держался в строжайшем секрете.
Незадолго до начала наступления русские войска стали подбираться на ближнюю дистанцию к вражеским позициям. К началу наступления расстояние между противниками не превышало 400 шагов, а в некоторых местах удалось приблизиться на 150—200 шагов.
Наступление фронта началось 4 июня сильнейшей артиллерийской подготовкой. К 10 часам огонь был перенесен вглубь позиций противника. Артиллерийская подготовка продолжалась на протяжении двух суток. Вражеские батареи были подавлены, а в системах укреплений проделаны проходы для наступления пехоты. За первые три дня наступления войска 8-й армии достигли значительных результатов – фронт был прорван на протяжении 70–80 верст и на глубину до 25–30 верст, в плену оказались 900 офицеров и 40 тысяч солдат противника, захвачено 77 орудий и 134 пулемета. Луцк был взят на третий день наступления.
Вскоре Брусилов получил новую директиву от Алексеева, согласно которой войскам Юго-Западного фронта ставилась задача сковать противника на Стрыне демонстративными боями, а главные силы сосредоточить на своем правом фланге с целью разгрома левого крыла австро-венгерских войск. Алексеев даже конкретизировал поставленную задачу: действовать правым флангом к северу от Луцка и, прикрывшись кавалерией с северо-запада, наступать в направлении Луцк – Рава-Русская. Удар Брусилова по-прежнему рассматривался как вспомогательный, и в то же время Западный фронт получал разрешение отложить начало своего наступления.
Это могло привести к самым неблагоприятным последствиям для всего Юго-Западного фронта, ведь из полосы Западного фронта перед войсками Брусилова уже стали появляться германские войска. Брусилов требовал начать наступление на других фронтах и получил в этом заверения. Не дожидаясь начала наступления Западного фронта, он решил продолжать развивать наступление 8-й армии и отдал директиву о продолжении наступления до окончательного разгрома австро-венгерских войск.
Несмотря на личные обращения Брусилова, Ставка санкционировала отсрочку, а затем и совсем отменила наступление Западного фронта с Виленского направления, перенеся его на Барановичи. Брусилову перебросили два корпуса и два тяжелых артиллерийских дивизиона. Кроме наступления на Ковель его войска должны были достигнуть рек Сан и Днестр. Угроза захвата русскими войсками ковельского железнодорожного узла встревожила противника, и он стал принимать меры для отражения удара. Германские войска из Франции перебрасывались на Юго-Западный фронт.
Уже 16 июня противник нанес контрудар на Луцк, но войска 8-й и 11-й армий в течение трех дней отразили все попытки наступления противника. На левом фланге 9-я армия, преодолевая сопротивление противника, форсировала Прут и к утру 18 июня захватила Черновцы. Преследуя противника, уже на следующий день русские войска вышли к реке Серет. Однако дальнейшее наступление было затруднено непрекращающимися дождями и размокшими дорогами. К 23 июня в ходе наступления войска Брусилова взяли в плен более 4 тысяч офицеров и около 200 тысяч солдат, захватили 219 орудий и 674 пулемета.
Постепенно Ставка стала понимать необходимость перенесения главных действий на Юго-Западный фронт. Она отдала директиву о передаче 3-й армии из состава Западного фронта на Юго-Западный фронт. Были переправлены войска с Северного фронта.
В этих условиях Брусилов приказал всем армиям быть готовыми перейти в общее наступление. Главной силой фронта по-прежнему оставалась 8-я армия, нацеленная на Ковель.
4 июля войска Юго-Западного фронта возобновили наступление. Проведя артиллерийскую подготовку, они прорвали фронт и, сломив сопротивление противника, за несколько дней вышли на реку Стоход, но форсировать ее так и не смогли. Понимая, что австро-венгерские войска не удержатся на Стоходе, германское командование перебросило сюда свои дивизии.
Брусилов приказал прекратить наступление на этом направлении, и возобновить здесь наступление лишь после подвоза артиллерии и получения резервов. Лишь 9-я армия успешно двигалась вперед и 8 июля взяла Делетин.
Ставка любой ценой хотела форсировать Стоход и взять Ковель. В район Луцка был переброшен стратегический резерв верховного главнокомандующего – Особая армия, составленная из двух гвардейских корпусов пехоты и гвардейскою кавалерийского корпуса. Особая армия должна была атаковать Ковель с юга, а 3-я – с севера и востока. 8-я армия по-прежнему наступала на Владимир-Волынский, 11-я армия – на Броды, Львов, а 7-я и 9-я – на Галич и Станислав.
28 июля войска Брусилова снова начали наступление, но здесь их уже встретили крупные германские силы. Особая армия сумела продвинуться за три дня лишь на 10 верст, а до Ковеля дойти так и не смогла, застряв в полесских болотах. Войска, действующие на правом фланге, понесли громадные потери, но так и не смогли выполнить поставленных задач. На других направлениях войска Юго-Западного фронта достигли больших результатов. 11-я армия заняла Броды, 7-я – Монастержиску. Под натиском 19-й армии австро-венгерские войска были вынуждены оставить Буковину и Станислав. В конце августа Брусилов предпринял атаку четырьмя армиями фронта, но лишь 7-я и 9-я смогли немного продвинуться вперед. Скоро и они были вынуждены остановиться и перейти к обороне.
В ходе летнего наступления 1916 года войска Юго-Западного фронта захватили в плен 8924 офицера и 408 тысяч солдат противника. В качестве трофеев было взято 581 орудие и 1795 пулеметов. Австро-Венгрия была фактически выведена из войны, и в серьезных операциях ее войска больше не участвовали. Наступление Юго-Западного фронта было первым успешным наступлением, проведенным в условиях позиционной войны. Это одна из немногих наступательных операций, названная в честь своего, командующего – Брусиловский прорыв. За победы в летнем наступлении 1916 года Брусилов был награжден Георгиевским оружием, украшенным бриллиантами.
