Сосед Брусилова справа — командующий 3-й армией Радко Дмитриев — уже некоторое время замечал подозрительную активность в тылу противника, в особенности против своего 10-го корпуса, ослабленного и чрезвычайно растянутого по фронту. Именно здесь германское командование решило прийти на помощь своему австрийскому союзнику. Весной 1915 года, по свидетельству Э. Фалькенгайна — начальника германского верховного командования, русские войска угрожали австрийскому фронту «в такой степени, которая в дальнейшем становилась невыносимой… Пришел момент, когда дальше нельзя было уже откладывать решительного наступления на Востоке».
Наступление готовилось тщательно и секретно. С французского фронта, где германское командование совершенно не ожидало в 1915 году неприятностей для себя, в Карпаты были переброшены четыре отборных корпуса. Вместе с австрийским корпусом они образовали 11-ю армию генерала Макензена.
Германо-австрийскому командованию не удалось в полной мере достигнуть внезапности. Генерал Радко Дмитриев тревожно доносил главнокомандующему фронта о сосредоточении вражеских сил, просил подкреплений, но генерал Иванов их не предоставил. Брусилов вину за происшедшее возлагал всецело на Иванова; Радко Дмитриев обращался с письмом и к командарму-8, прося оказать воздействие на главнокомандующего фронта. Брусилов отвечал, что при сложившихся у него с Ивановым напряженных отношениях такое вмешательство лишь более ухудшило бы дело, и советовал обратиться в Ставку, Осталось неизвестным, последовал ли Радко Дмитриев совету.
Катастрофа разразилась спустя неделю после отъезда царя с фронта. В 10 часов утра 19 апреля (2 мая) 1915 года после мощной артиллерийской подготовки, продолжавшейся сутки, германо-австрийские войска в районе Горлице перешли в наступление. Удар был исключительно мощным: на участке прорыва в 35 километров противник обеспечил себе двойное превосходство в живой силе; в пулеметах он превосходил русские войска в 2,5 раза, в легкой артиллерии в 3 раза и, что особенно важно, в тяжелой артиллерии в 40 раз! Ни в какое сравнение не шла обеспеченность боеприпасами: русские артиллеристы имели всего по 30–40 выстрелов на орудие, а противник по 1200 снарядов на легкое и 600 снарядов на тяжелое орудие.
Под градом вражеских тяжелых снарядов (их русские солдаты именовали «чемоданами») войска 3-й армии начали откатываться на восток. К 24 апреля (7 мая) они отошли уже на 40 километров. Русское командование бросало навстречу наступающему противнику резервы по частям, как говорили тогда — «пакетами», но они не могли остановить врага и гибли. Вскоре отход 3-й армии поставил под угрозу правый фланг и тыл армии Брусилова; он получил приказ покинуть занимаемые в Карпатских горах позиции. Горько было оставлять завоеванные русскими солдатами с таким трудом и жертвами позиции, но оставаться на месте не представлялось никакой возможности, промедление же грозило катастрофой. Брусилов постарался принять меры, чтобы противник не сразу распознал вынужденный отход русских с Карпат. В окопах были оставлены разведывательные команды с пулеметами; они до рассвета поддерживали обычную перестрелку. Отход войск проходил в полном порядке.
Причудливой военной судьбе угодно было, чтобы Перемышль, во взятии которого войска 8-й армии сыграли столь видную роль, теперь оказывался в расположении армии Брусилова, и он должен был организовать защиту крепости. Между тем крепости как таковой не существовало: форты были взорваны еще австрийцами, артиллерия и снаряды вывезены, гарнизона не было. Оборона представлялась затруднительной, а начальство на ней настаивало. 4(17) мая Брусилов получил телеграмму верховного главнокомандующего: «Привыкший и уверенный всегда в ваших энергичных действиях, я убежден, что вы, в соответствии с директивой генерал-адъютанта Иванова, не только удержите Перемышль, владение которым считаю белее чем важным, но что упорной обороной на фронте ваших правофланговых корпусов и активными действиями на всем остальном вашем фронте упрочите общее положение дела».
В тот же день Брусилов отвечал, что он и войска 8-й армии приложат все силы, физические и духовные, чтобы выполнить приказ. В то же время командарм-8 считал необходимым охарактеризовать обстановку. В его 12-м и 21-м корпусах насчитывалось штыков не более одной дивизии в каждом, а против них развертывались превосходящие силы врага, полностью обеспеченного боеприпасами. Поскольку фронт армии был крайне растянут, неудача в любой его точке сразу же и тяжело должна была отразиться на общем положении. Не имея резервов, все же Брусилов считал наиболее целесообразным попробовать действовать активно, но для этого просил усилить его армию двумя корпусами. В заключение телеграммы Брусилов сообщал: «Все, что в человеческих силах, будет сделано мною и моими помощниками».