Поразмыслив, Алексей Максимович пришел к выводу, что при хорошей организации наступление может достигнуть поставленной цели. Поняв это, он стал одним из самых убежденных сторонников задуманной Брусиловым операции.
К ее началу 8-я армия состояла из шести армейских и двух кавалерийских корпусов, в составе которых было 17 пехотных и 7 кавалерийских дивизий, 640 легких и 70 тяжелых орудий. Такое количество сил и средств создавало в полосе армии превосходство над противником по пехоте – в 1,7 раза, по кавалерии – в 2,3 раза, по легкой артиллерии – в 1,3 раза. Однако по количеству тяжелой артиллерии русские уступали австрийцам в 2,3 раза. Последнее обстоятельство особенно огорчало Каледина, который хорошо знал губительную силу огня, ведущегося с закрытых огневых позиций по атакующей пехоте и кавалерии. Кроме того, он был очень озабочен характером местности, по которой предстояло наступать. Полноводные реки Стырь и Стоход в своем нижнем течении имели непроходимые болотистые поймы, исключавшие эффективное применение больших масс конницы и маневр артиллерии.
Учтя все обстоятельства, командующий армией решил главный удар в своей полосе наступления нанести силами трех корпусов и одной пехотной дивизии из района севернее Дубно в общем направлении на Луцк, где местность позволяла применять все рода войск. Здесь, в полосе шириной несколько более 20 километров, что составляло лишь 17 % от ширины полосы наступления армии, было сосредоточено 57 % пехоты и артиллерии. Благодаря этому на избранном направлении превосходство над противником по пехоте было доведено до 2,2 раза, по артиллерии – в 1,7 раза. По мнению Каледина, это обеспечивало успешный прорыв русских войск.
Вызывали сомнение возможности эффективного огневого поражения врага. Каледин вместе с исполнявшим обязанности инспектора артиллерии армии генерал-майором М. В. Ханжиным долго ломали головы над решением этой задачи. Ограниченное количество тяжелой артиллерии при большой ширине участка прорыва армии не позволяло использовать ее централизованно. В то же время распределение батарей между корпусами первого эшелона не позволяло командующему армией эффективно влиять на ход операции огнем. Поэтому было решено все имевшиеся тяжелые орудия придать корпусам, наступавшим на направлении главного удара.
Огневое поражение противника должно было проходить в форме «артиллерийской атаки», включавшей артиллерийскую подготовку и поддержку наступающей пехоты и конницы. Артиллерийскую подготовку планировалось проводить в течение почти 30 часов методическим огнем по заранее выявленным целям на глубину первой позиции и по проволочным заграждениям противника. Артиллерийская поддержка атаки предусматривалась подвижным и неподвижным заградительным огнем. Для введения противника в заблуждение относительно времени начала атаки предполагались ложные переносы огня с переднего края обороны в глубину и в стороны флангов.
При подготовке к наступлению Каледин большое внимание уделил воспитательной работе среди личного состава, часть которого была поражена пацифистскими настроениями, а часть после тяжелых оборонительных боев 1915 года потеряла уверенность в победе. Чтобы поднять боевой дух войск, Алексей Максимович предпринял ряд поездок в соединения и части, где лично выступал перед солдатами и офицерами. Кроме того, он решил воздействовать на религиозные чувства подчиненных, для чего пригласил к себе военных священников всех религий: православной, католической и мусульманской. Командующий армией поставил перед ними задачу провести богослужения во всех полках, нацелив верующих на победу над врагом.
22 мая 1916 года в 4 часа утра во всей полосе 8-й армии началась артиллерийская подготовка наступления. На ряде участков проволочные заграждения и окопы противника были полностью разрушены артиллерийским огнем. По образовавшимся проходам группы охотников из корпусов первого эшелона проникли на австрийские позиции, где захватили пленных и вооружение. К ночи командиры корпусов доложили о готовности атаки с утра следующего дня. Несмотря на это, Каледин приказал продолжать артиллерийскую подготовку, применив подсветку местности прожекторами, что не позволило австрийцам в течение ночи восстановить разрушения своей обороны.
Правда, действия русской артиллерии позволили австрийскому командованию установить подготовку наступления и его вероятный размах. Но оно было настолько уверено в прочности своей обороны, что не предприняло действенных ответных мер. Вечером того же дня в приказе войскам генерал Линзинген писал: «Численность противника и сравнительно небольшие потери наших войск, нанесенные огнем его артиллерии, не обещают русским успеха».
В отличие от надменного австрийца Каледин был совершенно другого мнения. На рассвете 23 мая русская артиллерия вновь обрушила на австрийские окопы шквал огня. В 9 часов пехотные дивизии 8-й армии поднялись в атаку и вскоре овладели первой вражеской позицией. Наибольшего успеха добилась 4-я стрелковая дивизия 40 корпуса, которой командовал генерал-майор А. И. Деникин. К исходу дня она полностью разгромила противостоявшую ей 2-ю пехотную дивизию противника и захватила 4588 пленных, 29 орудий и 26 пулеметов. В целом же соединения 40 армейского корпуса генерала Н. А. Кашталинского в тот день захватили в плен более 6000 солдат и офицеров противника.
На следующий день войска 8-й армии продолжили наступление с прежней энергией. Противник начал отход. Установив его, Алексей Максимович потребовал от командиров корпусов перейти к преследованию врага. Он намеревался вести его с крайним напряжением сил, чтобы добить противника на Стыри и захватить переправы. Войска армии, выполняя этот приказ, устремились вперед, преодолевая местами сопротивление частей врага. При этом снова отличилась дивизия А. И. Деникина, которая, разгромив арьергард противника, в ночь на 26 мая с ходу форсировала реку Стырь и овладела плацдармом на ее противоположном берегу. За этот день ее части продвинулись на запад на 14 километров, захватив до 4,5 тысячи пленных. Потери соединения составили 158 человека убитыми и 1203 ранеными.
Артиллерия 8-й армии на позициях.
Таким образом, за первые три дня наступления 8-я армия добилась существенных успехов. Оборона противника была прорвана на фронте до 80 километров на глубину 23–35 километров. Средний темп наступления ударных корпусов в эти дни составил 8 – 12 километров в сутки. Наибольшему разгрому подверглись 2-я, 11-я и 13-я дивизии 4-й австро-венгерской армии, в строю которых оставалось в общей сложности около 2 тысяч человек вместо 61 тысячи, положенных по штату. Русскими войсками были только пленены 922 офицера и 43 625 нижних чинов противника, захвачено 66 орудий и 150 пулеметов. При этом потери самой 8-й армии убитыми и ранеными составили 32 тысячи человек. Это была одна из самых успешных армейских операций 1916 года. По ее результатам Каледин был отмечен чином генерала от кавалерии.
Поражение австрийских войск на Луцком направлении вынудило их командование решиться на крайние меры. Командующий 4-й армией эрцгерцог Иосиф Фердинанд был снят с должности. Назначенный вместо него маршал Терштпянский немедленно отдал приказ своим соединениям отходить за реку Стырь.
