Генерал Брусилов, с трудом отбившись от двух неприятельских армий, обратился в Ставку. Доказывал — если ему дадут подкрепления, он сможет разгромить северный фланг австрийцев. Он упирался в леса, и неприятели поставили здесь довольно слабое прикрытие: хотя и сами обходили русских через Полесье, но были уверены, что масштабные боевые действия в такой местности нереальны. Эти предложения попали к Алексееву в самый напряженный момент прорыва под Свенцянами, на счету был каждый полк. Но Алексеев увидел, какие выгоды сулит операция Брусилова. Если разбить австрийцев, немцам опять придется выручать их, отвлекать войска с главного, белорусского направления. В 8-ю армию был направлен свежий 30-й корпус генерала Зайончковского, ставилась задача нанести удар на Луцк.
16 сентября наступление началось. 30-й корпус и 7-я кавдивизия двинулись на врага на северном фланге, круша и отбрасывая австрийские заслоны. Южнее атаковал 39-й корпус Стельницкого, еще южнее 4-я Железная дивизия и 8-й корпус Драгомирова. Железные стрелки Деникина тоже сумели прорвать фронт, 18 сентября вышли к Луцку с юга, бросились на штурм. Но с этой стороны еще до войны сами же русские укрепили город. А австрийское командование собрало в Луцке 2,5 дивизии, много артиллерии. Дивизию Деникина встретили ураганом огня. Она захватила две линии неприятельских позиций и застряла, все атаки были отбиты.
С севера продвигался корпус Зайончковского. Взял городок Рожище, пробился к Луцку. Зайончковский впоследствии стал видным военным историком, но военачальником был своеобразным, любил красивые позы. На следующий день был праздник, Рождество Пресвятой Богородицы, и он, подготавливая штурм, издал громкий приказ: «Порадуем Матушку Царицу Небесную! Бутылка откупорена! Что предстоит нам пить из нее, вино иль яд, покажет завтрашний день!» Но завтрашний день ничего не показал. Ведь русские войска, с двух сторон прорвавшись к Луцку, взяли в клещи значительную часть австрийской 4-й армии. Неприятельское командование всеми силами старалось вытащить ее из мешка, а для этого требовалось удержать Луцк. Атаки Зайончковского отразили. Он взывал к Брусилову, просил о помощи, и командующий армией приказал Деникину передать соседу один полк.
Но и следующая атака захлебнулась. Зайончковский жаловался, что его подавляет сильнейший артобстрел. Брусилов опять отдал распоряжение Деникину: в течение ночи бить по австрийцам всеми имеющимися батареями. Однако неприятель ответил на огонь ливнем снарядов. Одна из гранат попала даже в очаг хаты, где размещался штаб дивизии — к счастью, не взорвалась. Было понятно, что это еще «цветочки». Русские орудия обнаружили себя и израсходовали боезапас. В темноте враг накрывал дивизию наугад, а утром прочешет так, что мало не покажется. Деникин созвал командиров полков и объявил: «Наше положение пиковое. Ничего не остается, как атаковать». Они согласились.
Противник знал, что 4-я Железная осталась в неполном составе, атаки от нее не ждал. Но на рассвете стрелки внезапно бросились к неприятельским позициям, закидали их гранатами и ударили в штыки. Австрийцы побежали. Деникин вместе со своими солдатами влетел в город на открытом автомобиле и отправил телеграмму Брусилову — Луцк взят. Австрийские части, оборонявшие северную окраину, услышали, что русские уже ворвались на улицы, и тоже обратились в бегство. За ними устремились войска 30-го корпуса, обрадованный Зайончковский послал донесение, что он захватил Луцк. Брусилов на полях его телеграммы иронично приписал: «И взял там в плен генерала Деникина».
Победа была внушительной. Только одна 4-я Железная набрала в плен 10 тыс. человек — примерно столько же, сколько было в самой дивизии. Замкнулось кольцо вокруг нескольких неприятельских соединений, их добивали с разных сторон, враги во множестве сдавались. 4-я австрийская армия считалась лучшей, в свое время ее специально усиливали для действий в группировке Макензена. Теперь ее разгромили наголову. Рушился весь фланг австрийского фронта, и произошло именно то, на что рассчитывал Алексеев. Конрад молил немцев, чтобы выручили. Но прорыв в Полесье угрожал и германскому флангу. Фалькенгайн откликнулся сразу же. Снял корпус из Белоруссии и бросил его поддержать австрийцев.