После окончания войны вплоть до 1881 г. А. А. Брусилов продолжал службу на Кавказе, а затем был направлен в Петербург в учебный эскадрон офицерской кавалерийской школы. Завершив обучение, он был оставлен в школе и последовательно прошел в ней ряд должностей, став ее начальником. Затем А. А. Брусилов принял командование 2‑й гвардейской кавалерийской дивизией, вслед за этим он покинул столицу и уехал в Люблин, заняв должность командира 14‑го армейского корпуса.
С 1912 г. А. А. Брусилов — командующий войсками Варшавского военного округа, а затем с 1913 г. — командир 12‑го армейского корпуса. В этот период А. А. Брусилов много занимался вопросами различных отраслей военного дела, изучал труды по истории военного искусства, был сторонником рационального обучения войск и строгой воинской дисциплины. С началом Первой мировой войны командовал 8‑й армией, отличившейся в Галицийской операции.
С марта 1916 г. — главнокомандующий армиями Юго — Западного фронта. На рассвете, 22 мая 1916 г. началось наступление войск Юго — Западного фронта русской армии. В ре зультате центральные державы оставили Галицию и Буковину. При этом они потеряли до 1,5 млн. убитыми, ранеными и пленными, 581 орудие.
Для ликвидации прорыва с Западного и Итальянского фронтов ими было снято 30,5 пехотных и пять кавалерийских дивизий. Из войны едва не была выведена Австро — Венгрия. Прорыв спас итальянцев в Трентино, облегчил положение французов под Верденом, побудил Румынию присоединиться к державам Согласия. Организатором и инициатором операции был генерал от кавалерии генерал–адъютант А. А. Брусилов.
Ровно через год после начала прорыва (24 мая 1917 г.) генерал А. А. Брусилов получил назначение на пост Верховного главнокомандующего русской армией, однако, русское командование не сумело развить успех и в результате заранее спланированного немцами контрудара русские войска менее чем за половину месяца были вынуждены оставить всю Галицию. Ответственность за поражение была возложена на А. А. Брусилова, и он был отстранен от должности и заменен генералом от инфантерии Л. Г. Корниловым.
Убежденный монархист А. А. Брусилов остро переживал кризис самодержавия, но в то же время критически относился к императору Николаю II и его окружению. Вместе с другими командующими фронтами в начале февральской революции выступил за отречение от престола Николая II. При Временном правительстве — А. А. Брусилов — военный советник. Он поселился в Москве и больше непосредственного участия в боевых действиях не принимал. Опыт генерала был востребован уже после прихода к власти большевиков. После того, как польская армия весной 1920 г. перешла в наступление на Украине, А. А. Брусилов возглавил созданное им Особое совещание при главнокомандующем вооруженными силами РСФСР. Особое совещание обратилось с призывом к бывшим генералам и офицерам русской армии: «Забыть все обиды… и добровольно идти с полным самоотвержением в Красную Армию… отстоять во что бы то ни стало дорогую нам Россию и не допустить ее расхищения». На этот призыв откликнулось почти 11 тыс. бывших генералов и офицеров. Они добровольно вступили в Красную Армию и внесли свой вклад в ходе боевых действий на Польском фронте.