В конце апреля 1915 г., перебросив несколько корпусов с Западного фронта, немцы развернули мощное наступление в районе Горлицы, на правом крыле Юго-Западного фронта. В короткое время фронт 3-й армии (соседней с 8-й) был прорван. Она стала в беспорядке отходить к Перемышлю. Чтобы избежать окружения, Брусилов тоже должен был начать отступление. Большая часть Галиции вновь оказалась в руках противника. Немецкое наступление выдохлось только на Буге, когда русская армия достигла прежней государственной границы. Простояв тут несколько недель, она в конце лета должна была отступить еще дальше на восток – в Полесье. Здесь пришлось пережидать вторую военную зиму.
В марте 1916 г. Брусилов был назначен командующим Юго-Западным фронтом. Кроме его собственной 8-й армии к нему в подчинение перешли еще три: 11-я, 7-я и 9-я. Едва приняв командование, он предложил Ставке развернуть силами его фронта большое наступление. После того как было получено согласие императора, Брусилов разработал оригинальный план операции, который в корне отличался от господствовавших тогда взглядов на осуществление прорыва фронта. Особенность эта заключалась в следующем. В то время на всех фронтах маневренная война уже перешла в позиционную. Многомиллионные армии, стремясь укрыться от жестокого огня пушек и пулеметов, старательно зарывались в землю. Обычно выкапывалось три (или даже более) линии траншей на значительном расстоянии друг от друга. В промежутках между ними отрывались окопы, ячейки для стрелков и пулеметчиков, делались блиндажи в несколько накатов, которые нельзя было разбить самым тяжелым снарядом. Перед траншеей обороняющиеся устраивали ямы-ловушки, закладывали мины и фугасы. На кольях натягивали колючую проволоку. Штурм таких укрепленных полос был чрезвычайно тяжелой задачей. Наступающих встречал шквал сплошного огня, так что за каждую захваченную траншею им в буквальном смысле слова приходилось платить сотнями тысяч жизней. Ввиду всего этого уже в 1915 г. сложилась общая практика прорыва укрепленных участков обороны противника, которой и следовали во всех воюющих армиях. Считалось, что прорыв лучше осуществить на одном участке, сосредоточив там максимальное количество артиллерии и людских резервов. Атаке должен был предшествовать сильнейший артиллерийский огонь, который должен был смести проволочные заграждения и уничтожить вражеские укрепления с их защитниками. Однако очень часто такой способ действия к успеху не приводил. При наличии воздушной разведки скрытно подготовить крупную операцию было совершенно невозможно. Противник имел возможность заблаговременно стянуть к месту предполагаемого прорыва крупные силы и подготовиться к отпору.
Чтобы избежать этого и дезориентировать австрийцев, Брусилов решил готовить прорыв их позиций не на одном, а сразу на четырех направлениях – главном и вспомогательных. Таким образом он рассчитывал рассредоточить внимание, силы и средства неприятеля и лишить его возможности маневрировать резервами. План его был дерзким и многим казался неосуществимым. В самом деле, войскам Юго-Западного фронта предстояло прорвать мощные оборонительные позиции, состоявшие из 2–4 укрепленных полос в две-три линии окопов с узлами сопротивления, расположенных одна за другой на расстоянии 5—10 км. Позиции австрийцев оборонялись почти полумиллионными войсками с многочисленной артиллерией и пулеметами. По огневой мощи оборонявшиеся значительно превосходили русские войска, которые ощущали особенно большой недостаток в тяжелой артиллерии. Брусилов хорошо сознавал эти трудности и тщательно готовил наступление. Большое значение отводилось элементу внезапности. Все передвижения войск производились с большой скрытностью. Лишь за несколько дней до начала наступления незаметно ночью были введены в боевую линию части, предназначенные для первоначальной атаки, и поставлена артиллерия. Каждый корпус на своем участке фронта должен был начать земляные работы, как будто готовил наступление. Австрийцы, несмотря на все старания, так и не смогли понять, где готовится главный удар, и не стянули к нему свои резервы. В этом заключался важный залог победы.
22 мая около 5 часов утра орудия Юго-Западного фронта открыли мощный огонь по проволочным заграждениям и окопам врага. 23 мая перешла в наступление наносившая главный удар 8-я армия. Противостоявшая ей 4-я австро-венгерская армия совершенно не ожидала этого натиска и к 26 мая была разгромлена в излучине реки Стырь. За трое суток австрийский фронт был прорван на протяжении 80 км. Вспомогательные удары, наносившиеся другими армиями, также достигли своей цели – австрийские позиции оказались прорваны в нескольких местах. Русские перешли в стремительное наступление. Была возвращена большая часть российской территории и вновь завоеваны значительные просторы Восточной Галиции и вся Буковина. В ходе боев австрийцы потеряли до 1,5 млн человек убитыми, ранеными и пленными. Было захвачено огромное количество военного снаряжения и техники. Но поскольку наступление Юго-Западного фронта не было поддержано другими фронтами, немцы и австрийцы смогли перебросить против Брусилова свежие войска. Сопротивление врага с каждым днем нарастало, и к концу сентября русское наступление выдохлось. Тем не менее знаменитый «Брусиловский прорыв» считается одной из самых красивых операций Первой мировой войны.
Впрочем, отдельными успехами нельзя было поправить общей ситуации, которая складывалась для России самым роковым образом. После Февральской революции началось быстрое разложение войск, а к маю они совершенно вышли из повиновения. Офицеры и генералы утратили всякий авторитет. Всем верховодили председатели революционных комитетов. Солдаты митинговали и волновались, воевать никто не хотел. Временное правительство было не на шутку встревожено таким поворотом событий. 22 мая 1917 г. оно назначило Брусилова Верховным главнокомандующим. Однако даже он не мог кардинально поправить дело. С большим трудом ему удалось установить хотя бы внешнее подобие порядка. Но предпринятое им июньское наступление кончилось полной неудачей. 19 июля Брусилов был замещен на своем посту генералом Корниловым и по требованию военного министра Керенского ушел в отставку. Он поселился в Москве и старался держаться подальше от всякой политики.
Во время революционных боев в Москве в октябре 1917 г. в квартиру Брусилова залетел осколок, тяжело ранивший его в ногу. Из госпиталя он выписался только в июле 1918 г. За это время ему несколько раз через различных эмиссаров предлагали возглавить белое движение, но он отказался наотрез. При всем этом он очень холодно, если не сказать сильнее, относился к большевикам. Атак как влияние и авторитет Брусилова были очень велики, большевики сочли для себя опасным оставить его на свободе. Летом 1918 г. Брусилов был арестован ВЧК, но потом освобожден, поскольку ни в какой связи с контрреволюцией не состоял. В братоубийственной Гражданской войне Брусилов не принял никакого участия, демонстративно сохраняя свой нейтралитет. Только в мае 1920 г., когда началась тяжелая война с внешним врагом – Польшей, он согласился поставить свой огромный опыт на службу новой власти. В октябре 1920 г. Брусилов занял должность главного инспектора Главного управления коннозаводства и коневодства РСФСР и одновременно читал лекции в Академии РККА. В феврале 1923 г. он был назначен на должность инспектора кавалерии РККА, в 1924 г. – вышел в отставку. Умер Брусилов в марте 1926 г. от воспаления легких.
