Стоит признать, что командование сумело тщательно подготовить операцию. В русских наблюдался моральный подъем, что можно связать с преодолением кризиса вооружения и прибытием на фронт нового пополнения. Подготовка к наступлению велась по всему Юго-Западному фронту, что сделало определение планов русского командования практически невозможным для противника. Более того, учитывая активность германцев у Вердена и австрийцев против Италии, в начале июня 1916 года австрийский Северный фронт не имел значительных резервов и мог полагаться исключительно на свои силы.
4 июня (22 мая) войска генерала Брусилова перешли в наступление, которое сопровождалось мощнейшей артиллерийской подготовкой. Австрийский фронт был прорван. Особых успехов добилась 8-я армия, 7 июня (25 мая) 4-я стрелковая дивизия генерала А. И. Деникина взяла Луцк. По просьбе Брусилова Ставка начала перекидывать на Юго-Западный фронт дополнительные силы, тем самым ослабляя войска Куропаткина и Эверта. Вскоре продвижение 8-й армии временно прекратилось, поскольку Брусилов опасался за ее правый фланг. Он полагал, что дальнейшее наступление необходимо развивать совместно с Западным фронтом. Однако 16 (3) июня германские войска сами перешли в контрнаступление на реках Стоход и Стырь, поставив войска Брусилова в тяжелое положение. К концу июня наступление окончательно выдохлось.
Вместе с тем армии Юго-Западного фронта достигли крупных успехов: за 37 дней боев в наших руках осталось 272 тыс. пленных и 312 пушек. Как писал немецкий исследователь О. Мозер, «если бы в этот критический момент, в начале июня, англо-французские войска перешли в решительное наступление, то, даже не добившись сразу прорыва, они так сковали бы немецкий Западный фронт, что немецкое верховное командование не было бы в состоянии удовлетворить настойчивую просьбу о помощи Австро-Венгрии».
Развитие первоначального успеха Брусилов видел в организации наступления на Ковель и дальше на север в тыл германских войск, располагавшихся у Пинска. Итогом стали кровопролитные бои в районе Ковеля и реки Стоход в июле, августе и сентябре 1916 года, которые не привели к желаемому успеху. В это время Брусилов фактически игнорировал успешное развитие операций на левом крыле своего фронта, а именно наступление 9-й армии генерала Лечицкого (в районе реки Прут) и 7-й армии генерала Щербачева. Так, последняя в конце июля начала очередное наступление, отбросила противника за реку Золотую Липу и овладела Збаражем, взяв в плен более 8000 человек. Однако развить успех было уже невозможно: все силы Брусилов тратил на тщетные попытки овладеть Ковелем. Очередное наступление Юго-Западного фронта началось 18 августа, и здесь Щербачев снова добился значительных успехов. Он прорвал оборону австрийцев, отбросил их к реке Гнилой Липе (разгромив два корпуса), а сам вышел к Галичу. Лишь подоспевшие германцы сумели остановить 7-ю армию. Так была одержана победа «на двух липах» (имеются в виду реки Золотая Липа и Гнилая Липа), которая заставила Германию задействовать свои резервы, предназначавшиеся для разгрома Румынии. Как писал историк А. А. Керсновский, «13-й австро-венгерский армейский корпус, насчитывавший утром 18 августа в своих 15-й и 36-й пехотных дивизиях 19 000 штыков, к утру следующего дня имел только 1600, и дивизии его сведены были каждая в батальон».