Брусилов знал, что австрийцы с помощью воздушной разведки непременно обнаружат подготовку к наступлению. И приказал рыть траншеи для сближения с противником – верный признак готовящейся скорой атаки – более чем на 20 участках своего фронта. В результате противник так и не установил, где же будет главный удар. Потому что главного удара фактически не было. Атака началась сразу более чем на 10 участках всеми четырьмя армиями Юго-Западного фронта. Она предварялась тщательной разведкой, мощной артподготовкой, а в проволочных заграждениях заранее были проложены проходы. Уже на второй день наступления 8-я армия генерала Алексея Каледина, где было относительно больше сил и средств, прорвала австро-венгерский фронт, а 25 мая заняла Луцк. Успешно наступали и другие армии. Австро-венгерские части отступали в беспорядке. Генерал-квартирмейстер 8-й армии генерал Н. Н. Стогов доносил: «Разгром австрийцев… выявился во всей своей полноте. Массовые показания пленных рисуют безнадежную картину австрийского отступления: толпа безоружных австрийцев различных частей бежала в панике через Луцк, бросая все на своем пути. Многие пленные… показывали, что им приказано было для облегчения отступления бросать все, кроме оружия, но фактически они нередко бросали именно оружие раньше всего другого… Деморализация захватила и офицерский состав разгромленных австрийских полков: многие пленные уверяли, что офицеры чуть ли не первыми уходили в тыл, бросая солдат на попечение унтер-офицеров. Обычная при отходе картина недоедания и утомления войск развернулась во всю ширь». Брусилов впервые применил тактику одновременного наступления на разных направлениях в масштабах фронта. Такая тактика не позволяла противнику сконцентрировать резервы и артиллерию в одном месте для отражения атаки. Подобные дробящие удары легко рассекли австро-венгерский фронт. Однако оборотная сторона заключалась в том, что достигнутый успех трудно было использовать. Силы Юго-Западного фронта оказались рассредоточенными. Их непросто было собрать в кулак для развития наступления в наиболее выгодном направлении. Да и конкретных планов дальнейшего продвижения с целью достижения стратегических результатов не было ни у Ставки, ни у командования фронтом. Ведь наступление Брусилова задумывалось как вспомогательное.
Развивая успех и отразив контратаки неприятеля, русские войска вышли на рубеж реки Стрыпа, а потом с помощью подошедших с других фронтов подкреплений захватили город Бучач и Буковину со столицей провинции Черновцами. Бреши в австрийском фронте пришлось заделывать срочно переброшенными, в том числе и с территории Рейха, германскими подкреплениями. Австрийцы же прекратили удачно развивавшееся наступление на итальянском фронте. Однако русская Ставка только 3(16) июня решила сосредоточить все усилия на развитие успеха Брусилова, признав Юго-Западный фронт главным. К тому времени сильная группировка австро-немецких войск была сосредоточена в районе Ковеля и смогла удержать этот важнейший железнодорожный узел, падение которого ставило под угрозу устойчивость всего Восточного фронта Центральных держав. Ставка и Брусилов, все еще рассчитывая на успешное наступление Западного фронта, часто отдавали войскам противоречивые приказы, концентрируя наступление то на ковельском, то на львовском направлениях. Это облегчило австро-германскому командованию задачу восстановления сплошной линии фронта. Для укрепления боеспособности австро-венгерской армии в ее боевые порядки были введены германские дивизии, а непосредственно к частям прикомандированы германские офицеры, передававшие союзникам свой опыт. Кроме того, немцы занялись обучением австровенгерских пополнений.