В апреле 1916 г. на совещании русской Ставки в Могилеве был разработан более детальный план операции. Согласно изначальному замыслу, основной удар противнику должны были нанести части русского Западного и Северного фронтов. Несмотря на то, что на некоторых участках, особенно севернее Пинска, Россия имела почти двукратное превосходство в живой силе и определенный, хоть и не столь заметный, перевес в артиллерии, командующие Западным (генерал А. Эверт) и Северным (генерал А. Куропаткин) фронтами были против наступления, считая, что «прорвать фронт немцев совершенно невероятно, ибо их укрепленные полосы настолько развиты..., что трудно предположить удачу». Не исключено, что оба генерала были напуганы недавним неудачным наступлением у озера Нарочь (север Белоруссии), где в марте — апреле 1916 г. русская армия потеряла почти 100 тысяч человек, не сумев сколько-нибудь заметно продвинуться вперед.
В этот момент амбициозный генерал А. Брусилов, командующий Юго-Западным фронтом, которому первоначально отводилась вспомогательная роль во всей операции, предложил взять на себя основную тяжесть наступления. После небывало тщательной подготовки, в ходе которой отрабатывались малейшие детали наступательных действий, его войска 4 июня (по новому стилю) 1916 г. пошли в атаку на укрепленные позиции австрийцев по всей линии фронта. Именно в одновременности наступления и заключалась главная идея Брусилова. В его директиве, разосланной частям Юго-Западного фронта, говорилось: «Атака должна вестись по возможности на всем фронте, независимо от сил, располагаемых для сего. Только настойчивая атака всеми силами, на возможно более широком фронте, способна действительно сковать противника, не дать ему возможности перебрасывать свои резервы». Предписывалось «в каждой армии, в каждом корпусе наметить, подготовить и организовать широчайшую атаку определенного участка неприятельской территории». Таким образом, вместо нанесения главного удара, что позволило бы противнику перебросить на угрожаемый участок максимум имеющихся сил и отразить наступление, Брусилов бил одновременно в нескольких местах. Подобная тактика, вопреки утверждениям самого полководца и его апологетов, не была новым словом в военном деле, однако именно Брусилову впервые удалось применить ее в таких масштабах и с таким успехом.
Австрийский фронт был прорван. Русские войска заняли Луцк, Дубно, Черновцы, Бучач и продолжали развивать наступление, воспользовавшись ошибками некоторых австрийских командующих — в частности, руководившего 10-м корпусом генерала Мартиньи, который отдал войскам необоснованный приказ отступать к третьей линии оборонительных позиций. Сам Брусилов впоследствии вспоминал: «Мы продолжаем наше кровавое боевое шествие вперед, и к 10 июня нами было уже взято пленными 4013 офицеров и около 200 тысяч солдат; военной добычи было: 2190 орудий, 644 пулемета, 196 бомбометов и минометов, 46 зарядных ящиков, 38 прожекторов, около 150 тысяч винтовок, много вагонов и бесчисленное количество другого военного материала».