Численность русских войск перед началом операции составляла 573 тысячи штыков, 60 тысяч сабель, 1770 лёгких и 168 тяжёлых орудий. Австро-венгерские войска располагали 437 тысячами штыков, 30 тысячами сабель, 1300 лёгкими и 545 тяжёлыми орудиями.
Противник знал о готовящемся наступлении, но экстренных мер не принял, будучи уверенным в неспособности русских войск прорвать хорошо укреплённый фронт.
Наступление началось на всём Юго-Западном фронте 22 мая (4 июня) сильнейшей артподготовкой, которая длилась от 6 до 46 часов на разных участках фронта. Под прикрытием артиллерии русская пехота двинулась в атаку и вскоре почти во всех местах фронт оказался прорван.
Наибольших успехов достигла 8-я армия под командованием генерала А. М. Каледина, наступавшая на Луцк и занявшая этот город 25 мая (7 июня), а спустя неделю разгромившая 4-ю австро-венгерскую армию герцога И. Фердинанда. Однако вскоре 8-я армия встретила у реки Стоход упорное сопротивление германских войск, переброшенных с других участков фронта.
11 (24) июня Юго-Западному фронту была передана 3-я армия генерала Л. П. Леша, которая была направлена к реке Стоход для поддержки 8-й армии.
На левом фланге фронта 9-я армия генерала П. А. Лечицкого продвинулась на 120 км, форсировала реку Прут и захватила город Черновицы (Черновцы), а в июне – июле очистила от неприятеля всю Буковину.
В центре фронт прорвали 11-я армия генерала В. В. Сахарова и 7-я армия генерала Д. Г. Щербачёва, но они столкнулись с ожесточённым сопротивлением отдельных частей врага.
К сожалению, успех наступления Юго-Западного фронта не был использован другими фронтами, а поступление в распоряжение Брусилова резервов запоздало. В Берлине и Вене осознали грозящую опасность и с различных фронтов на помощь австро-венгерским армиям стали перебрасывать войска. Стараясь удержать город Ковель, являющийся важным центром коммуникаций, австро-немецкие войска начали крупные контратаки против сил 8-й армии.
В течение июля были предприняты ещё несколько попыток взять Ковель, в которых также участвовала отданная в распоряжение Брусилова Особая армия под командованием В. М. Безобразова. Однако кровопролитные бои не дали результата, и фронт стабилизировался на реке Стоход. 11-я армия заняла город Броды.
Ставка оказалась неспособной обеспечить взаимодействие фронтов. Намечавшееся на 27–28 мая (10–11 июня) наступление Западного фронта было отложено, а затем дважды начиналось, но велось нерешительно и оказалось безуспешным. Поэтому выдающаяся операция Юго-Западного фронта не получила успешного завершения. Однако её результаты оказали большое влияние на дальнейший ход войны.
Австро-венгерская армия утратила свою боеспособность. Её потери составили 1,5 миллиона человек убитыми, ранеными и пленными, а также 581 орудие, 1800 пулемётов, 450 бомбомётов и миномётов. Русские войска потеряли около 500 тысяч человек.
Наступление оказало большую помощь Италии и Франции, противник прекратил своё наступление в Трентино. Под влиянием успеха этого наступления в войну на стороне Антанты вступила Румыния.
Брусиловская операция явилась ярким достижением русского военного искусства, а также положила начало перелому в ходе Первой мировой войны в пользу Антанты.
