На Юго-Западном фронте дела обстояли более успешно. Там предусматривалось наступление 5-й и 3-й армий на Львов с целью окружения и уничтожения основных сил Австро-Венгрии. Командование противника решило остановить продвижение русских войск, но шестидневная битва вынудила австрийцев отступить за реку Сан и Дунаец, понеся огромные потери.
Эти победы явились своеобразным подарком для верховного командования русской армии. В сочетании с действиями войск на Люблинском направлении создавались условия для разгрома австро-венгерских армий. Галицийская битва, продолжавшаяся на фронте в 400 километров почти 40 суток, принесла русским новую победу. В этом сражении австрийские войска потеряли около 400 тысяч человек убитыми, ранеными и плененными. Русские войска потеряли почти 230 тысяч солдат и офицеров. Верховный главнокомандующий немедленно доложил об этом императору и представил ходатайство о награждении орденами всех командующих армиями Юго-Западного фронта и многих командиров корпусов и дивизий орденом Св. Георгия 4-й степени. Несколько военачальников были представлены к ордену Св. Георгия 3-й степени.
Победы в Галиции подтолкнули Ставку на очередную стратегическую операцию. Верховный главнокомандующий и его ближайшие помощники стремились узнать мнение командующих фронтами, на переписку с которыми уходило драгоценное время.
Поражение в Галиции поставило Австро-Венгрию на грань катастрофы, и она обратилась за помощью к своему союзнику – Германии. Русское командование приготовилось парировать готовившийся удар на Варшавско-Краковском направлении. Как показали дальнейшие события, направление удара войск союзников было определенно Ставкой правильно.
В планы русского командования входило отражение удара на Варшавском направлении с последующим переходом в контрнаступление. Николай Николаевич приказал перегруппировать в район Средней Вислы главные силы Юго-Западного и часть сил Северо-Западного фронтов. На этот раз верховный главнокомандующий не пошел на поводу у своих советников. Он сам постепенно, но настойчиво овладевал полководческой наукой. В его руках была сосредоточена большая власть, и он был призван решать вопросы не только связанные с оперативным использованием вооруженных сил, но и многие другие, от которых зависел успех военных операций. На этот раз он решил объединить руководство войсками, сосредоточенными на Средней Висле, в руках опытного генерала Иванова. Согласно директиве Ставки, с 19 сентября в его подчинение переходили на время предстоящей операции 2-я армия, а также Варшавский отряд с крепостью Новогеоргиевск. Благодаря этому на участке фронта от Варшавы до Ивангорода под единым командованием были сосредоточены три армии и несколько отдельных корпусов.
На первом этапе операция развивалась не совсем удачно из-за того, что войска не успели полностью завершить перегруппировку, но героическая оборона частей, принявших на себя первый удар противника, помогла русскому командованию выиграть время для сосредоточения всех войск. Вскоре верховный главнокомандующий лично прибыл в войска, чтобы ознакомиться на месте со сложившейся обстановкой. Тщательно все изучив и выслушав мнения командующих армиями, Николай Николаевич решил разделить управление войсками. При этом оборона Варшавы и южных подступов к ней была поручена генералу Рузскому, которому предписывалось в короткие сроки закончить развертывание сил, предназначенных для наступательных действий и закрепления широких плацдармов на левом берегу Вислы.
5 октября без оперативной паузы русские войска перешли в наступление, и в течение двух дней им удалось сломить противника и вынудить его отступать на юг. Варшавско-Ивангородская операция стала крупнейшей стратегической операцией Первой мировой войны. В ходе ее проведения германская армия потеряла до 50 процентов задействованных в ней сил.
Стремясь взять реванш, немцы, собрав все силы, перешли в наступление в районе Лодзи. Им удалось расчленить надвое русскую группировку, но посланный верховным главнокомандующим на помощь сводный отряд – два армейских корпуса и две кавалерийские дивизии – сумел окружить неприятеля и снова одержать победу. Здесь немцы потеряли свыше 40 тысяч убитыми и пленными. Лишь ошибки в управлении русскими войсками, действовавшими разобщенно отдельными отрядами, позволили части сил германцев пробиться на север и выйти из окружения. Лодзинская операция была последней в кампании 1914 года.
С каждой новой операцией великий князь приобретал все больше опыта. По утверждению его окружения, «популярность его росла с каждым днем» и «его имя стало достоянием не только армии, но и всего русского общества». В целом можно констатировать, что под руководством великого князя кампания 1914 года на Восточном фронте была выиграна русскими. Кроме ордена Св. Георгия 3-й степени Николай Николаевич был награжден за кампанию 1914 года и иностранными знаками отличия – Большим крестом английского ордена Бани и французской медалью «За военные отличия».