Разработав план, который в своей основе уже был составлен офицером штаба 8-й армии полковником Гофманом, Людендорф сосредоточил около шести дивизий против левого крыла Самсонова. Эти войска, уступавшие по численности русским, не могли оказать решающего влияния; однако Людендорф, выяснив, что Ренненкампф все еще находится около Гумбинена, пошел на риск переброски с этого фронта всех немецких войск, за исключением кавалерийского заслона, против правого крыла Самсонова. Осуществление этого смелого маневра во многом было облегчено тем, что между двумя русскими командующими отсутствовала связь и, кроме того, немцы легко расшифровывали русские приказы, передаваемые по радиотелеграфу. Нанеся два удара по сходящимся направлениям, немцы разгромили оба фланга Самсонова, окружили центр и фактически уничтожили всю армию. Если бы благоприятные для победы условия не были созданы самим Людендорфом, а вытекали из обстановки, то эта кратковременная Танненбергская кампания представляла бы почти безупречный пример непрямых действий в форме действий по «внутренним линиям».
Получив два новых корпуса, переброшенных с западного фронта, Людендорф направил свои усилия против наступавшего в замедленном темпе Ренненкампфа и оттеснил его из Восточной Пруссии. Пассивность Ренненкампфа вначале объяснялась его большими потерями у Гумбинена, а в дальнейшем также отсутствием достаточных сведений о противнике. В результате этих боев Россия потеряла четверть миллиона солдат и, что она менее всего могла себе позволить, большое количество вооружения. Однако вторжение русских в Восточную Пруссию, вынудившее немцев перебросить с запада два корпуса, по крайней мере помогло французам прийти в себя на Марне.
Влияние сражения под Танненбергом (140 км южнее Кенигсберга) было ослаблено тем, что на галицийском фронте обстановка сложилась не в пользу центральных держав. Наступление 1-й и 4-й австрийских армий в Польше вначале имело успех, но этот успех был сведен на нет сильным ударом 3-й и 8-й русских армий против более слабых 2-й и 3-й австрийских армий, которые прикрывали правый фланг основной группировки австрийских войск. Эти армии понесли тяжелое поражение (с 26 по 30 августа) и были вынуждены отступить за Львов (160 км юго-западнее Луцка). Наступление русского левого крыла создало, таким образом, угрозу с тыла успешно наступавшему левому крылу австрийцев. Хётцендорф пытался частью сил левого крыла ударить во фланг русским войскам, но этот удар был отражен. Затем в результате того, что его дезорганизованные войска были захвачены врасплох вследствие возобновившегося наступления русского правого крыла, он был вынужден начать 11 сентября общее отступление и к концу сентября отошел назад почти до Кракова.
Сложившаяся тяжелая обстановка в Австрии вынудила немцев оказать ей помощь. Большая часть немецких войск в Восточной Пруссии была сведена в новую, 9-ю армию, которая была переброшена на юго-запад Польши, откуда она во взаимодействии с австрийскими войсками начала наступление на Варшаву. Однако теперь русские уже заканчивали отмобилизование своих сил. Перегруппировав войска и нанеся ряд контрударов, русские отразили натиск австро-германских войск и сами перешли в наступление, сосредоточив крупные силы для вторжения в Силезию.
Великий князь Николай создал огромную фалангу в составе семи армий, причем три из них составляли ударную группировку, фланги которой прикрывали по две армии. Кроме того, 10-я армия вторглась в восточный угол Восточной Пруссии и вела там бои против слабых немецких войск.