Прорыв вражеской обороны осуществлялся сразу на четырех направлениях на 550-километровом фронте. Такое решение Брусилова не позволило командованию противника даже в ходе самой наступательной операции определить направление главного удара русских. Войска тщательно готовились к наступлению, пополнившись свежими резервами из маршевых рот и получив требуемое количество боеприпасов для стрелкового оружия. Со снабжением артиллерии фронта боевыми припасами были немалые трудности, и их приходилось всё время экономить. Разведка, в том числе и авиационная, хорошо изучила передний край вражеских позиций, наиболее удобные подходы к нему.
А.А. Брусилов позаботился о том, чтобы подчинённые ему военачальники имели возможность проявлять собственную инициативу на поле боя. Командующие армиями Юго-Западного фронта получили полное право (оно было оформлено в брусиловском приказе на наступление) принимать самостоятельные решения по мере изменения обстановки. К началу наступательной операции Юго-Западный фронт насчитывал 643500 штыков, 71000 сабель и 2200 орудий.
Брусиловский прорыв начался в намеченное время 22 мая. Ради достижения эффекта внезапности предварительная артиллерийская подготовка русскими не проводилась, равно как и предварительное сосредоточение войск на назначенных для прорыва участках фронта. Противная сторона тоже вела разведку и могла легко обнаружить перемещение многотысячных войск в каком-то одном направлении. Это позволило бы неприятелю принять адекватные меры для пресечения возможных наступательных действий русских.
Уже в первый день наступления у города Луцка была пробита брешь шириной в 50 километров. Однако для развития успеха здесь у командующего фронтами не было больших резервов, да и к тому же важнейшим считалось Ковельское направление. Наращивая силу удара, 9-я армия фронта нанесла поражение 7-й австро-венгерской армии и отбросила её за реку Прут и в Заднестровье. Войска противника оказались разбросанными на широком фронте и лишились единого управления. К вечеру 1 июня русские взяли около 150 тысяч пленных и много трофейного вооружения.
Уже в самом начале наступления Юго-Западного фронта под угрозой оказалась важная для манёвров противника Ковельская железнодорожная ветка. Успех следовал за успехом. 4-я австро-венгерская армия, которой командовал эрцгерцог Иосиф-Фердинанд, была обращена в бегство. Скоро противник начал поспешное отступление по всей линии фронта.
Ставка Верховного главнокомандующего спешно усилила Юго-Западный фронт четырьмя армейскими корпусами, что позволило А.А. Брусилову наращивать наступление на главных направлениях.
Однако вскоре общее наступление пришлось приостановить, поскольку действия армий соседнего Западного фронта успеха не имели, и правый фланг Юго-Западного фронта при дальнейшем продвижении вперёд мог оголиться. Тем временем армия Австро-Венгрии оказалась на грани катастрофы. Ей не хватало боеприпасов, а артиллерийские батареи были на «голодном пайке».
Вена стала просить Германию о незамедлительной помощи. В Берлине поняли всю серьёзность сложившейся на Восточном фронте ситуации и приняли срочные меры для ликвидации Брусиловского прорыва и спасения союзника. Немецкое командование могло переправить из Восточной Пруссии только небольшое число войск, а подготовленных резервов внутри самой Германии оказалось явно недостаточно. Берлину пришлось пойти на крайние меры.
Германское командование прекратило успешное наступление под французской крепостью Верден и быстро перебросило оттуда по железным дорогам на Русский фронт большие силы. Теперь Франция могла вздохнуть свободно — верная союзническому долгу, Россия в очередной раз пришла ей на помощь. Для проведения контрнаступления была создана сильная группа армий под командованием немецкого генерала Александра фон Линзингена. Она нанесла удар по северному флангу наступавшего Юго-Западного фронта.
В начале августа и середине сентября его войска совершили свой последний наступательный прорыв и оказались в предгорьях Карпат. Брусиловское наступление завершилось при полном истощении атакующего потенциала русских армий, когда германские войска, спешно переброшенные из-под Вердена, поддержали разбитых австрийцев. Если бы не эти своевременно переброшенные подкрепления, Австро-Венгрия могла бы выйти из войны ещё в 1916 году.
Победа Юго-Западного фронта впечатляла прежде всего своими результатами. К 12 июня на боевом счёту брусиловских армий насчитывалось около 200 тысяч пленных, а в числе взятых трофеев — 219 орудий, 196 миномётов и 644 пулемёта. Общие потери противника превысили 400 тысяч человек. Армии же фронта потеряли около 200 тысяч человек.
В ходе Брусиловского прорыва были разгромлены войска Австро-Венгрии на Волыни, в Галиции и Буковине. После такого сокрушающего удара главная союзница Германии в Первой мировой войне уже не смогла восстановить прежнюю военную силу.
Боевой наградой командующему Юго-Западным фронтом Алексею Алексеевичу Брусилову стало почётное золотое Георгиевское оружие.