מצבו של הצבא הרוסי היה בכי רע, קווי האספקה היו ארוכים, ציוד החיילים וחימושם היה דל והמורל וכושר הלחימה שלהם בשלב זה היו נמוכים. על הקשיים האובייקטיביים העיבה גם העובדה שרוחב מסילות הרכבת הרוסיות היה שונה מן התקן האירופאי, דבר שלא איפשר העברה מהירה של רכבות מפנים רוסיה אל החזית. הפיקוד העליון (הסטאבקה) הבין שהכוחות לא יוכלו להילחם והורה, לפיכך, על נסיגה מבוקרת. ב-4 באוגוסט כבשו הגרמנים את פולין הקונגרסאית ולאחר מספר ימים היה מצב הגבול בין האימפריה הרוסית לבין פרוסיה המזרחית כפי שהיה בראשית המלחמה. ב-19 בספטמבר נכבשה וילנה, בסיוע הפגזה גרמנית מן הים. בשלב זה, לאחר נסיגה של כ-700 ק"מ, נעצרה ההתקדמות הגרמנית וקו החזית המזרחית התייצב מן הים הבלטי בצפון ועד גבול רומניה בדרום (קו ריגה-דווינסק-ברנוביץ'-פינסק-דובנו-טרנופול).
אף על פי שהנסיגה הייתה מהלך מחושב, תוצאותיה מבחינה כלכלית, חברתית ומורלית ברוסיה היו קשות. אובדן השטחים הטיל עומס כלכלי מכיוון שמקורות יצור ואספקה של תוצרת תעשייתית וחקלאית ננטשו. נוסף לכך נאלצו להתמודד עם זרם של כ-1.5 מיליון פליטים שברחו מזרחה מפחד הכוח הגרמני. נוסף על כך, עליונות הצי הגרמני בים הבלטי הגבילה מאוד העברת סחורות מאירופה וגרמה למחסור בעורף בכלל ובבירה בפרט. ביוני אולץ שר המלחמה הכושל סוכומלינוב להתפטר וב-21 באוגוסט פיטר הצאר ניקולאי את בן-דודו, ניקולאי ניקולאייביץ' הבן, מהפיקוד העליון על הצבא והצי ונטל את הפיקוד העליון על עצמו (ניקולאי ניקולאייביץ' מונה למפקד חזית הקווקז. מאותה עת התערערה מאוד היציבות הפוליטית ובשנה וחצי שלאחר מכן התחלפו בזה אחר זה שלושה ראשי ממשלה ושני שרי מלחמה. בהיעדרו של הצאר שיצא לחזית, כיהנה רעייתו, הצאריצה אלכסנדרה כנציגת המלוכה הבכירה בבירה. עוד לפני כן ניהלה אלכסנדרה את חצר השלטון בצוותא עם יועצה המסתורי רספוטין ושניהם היו שנואים הן על האצולה והן על העם.
מתקפות 1916.
בניגוד לתכנון הברית בין צרפת לרוסיה, לא הצליחה האימפריה הרוסית להעסיק כוחות גרמניים מספקים בחזית המזרחית וכך יכלו הגרמנים להטיל כמעט את כל כובד משקלם על צרפת במערב. ב-16 באפריל 1916 פיקד הצאר ניקולאי על מתקפה גדולה להצלת הכבוד הרוסי ועל מנת לסייע לצרפת, בה התחולל קרב ורדן העקוב מדם, באמצעות הטרדת הגרמנים ממזרח. הוא החליט לרכז את המתקפה באגם נארוץ' בצפון-מערב בלארוס, שם הייתה עדיפות לכאורה ל-350,000 חיילים רוסים, בפיקודו של מפקד החזית הצפונית, אלכסיי קורופטקין, מול 75,000 גרמנים. הרוסים התחילו בהפגזה ארטילרית כבדה שנמשכה כיומיים ולאחר מכן הסתערו על קווי הגרמנים המחופרים והושמדו באמצעות מכונות היריה של הגרמנים. ההתקפה כשלה בכל מטרותיה וסתמה את הגולל על התקפות רוסיות מול הקו הגרמני המבוצר בצפון.
המתקפה הגדולה ביותר של הצבא הרוסי בחזית המזרחית נערכה בשטח אוקראינה בין ה-4 ביוני עד ה-20 בספטמבר 1916. המתקפה נקראה על שם הגנרל אלכסיי ברוסילוב, מפקד החזית הדרום-מערבית שיזם ותכנן את המתקפה והכניס שיטות צבאיות חדשות שתרמו להצלחתה. ברוסילוב הפעיל לראשונה את הטקטיקה של חיילי סער ביחידות קטנות, שחדרו בנקודות חלשות רבות של הגנת האוסטרו-הונגרים ואיפשרו אחר כך לארבע הארמיות שלו להתקדם.
ב-4 ביוני 1916 פתח ברוסילוב בהרעשה ארטילרית קצרה ומדויקת לאורך 480 ק"מ. האוסטרו-הונגרים הופתעו והחלו לסגת. ב-8 ביוני כבשו הרוסים את לוצק ושבו כ-200,000 חיילים אוסטרו-הונגרים בהמשך נכבשה גליציה ובוקובינה ובהן הערים לוצק, ברודי וצ'רנוביץ. ההתקפה הצליחה בפעם הראשונה לנקז כוחות גרמנים-אוסטרים משמעותיים לחזית המזרחית. הרמטכ"ל האוסטרו-הונגרי קונרד פון הצנדורף נאלץ לעצור את המתקפה בחזית האיטלקית (קרב אסיאגו) ולשלוח כוחות לחזית המזרחית ופאול פון הינדנבורג, המפקד הגרמני של החזית המזרחית שינע כוחות מחזית ורדן. ב-24 ביולי 1916 פתח הגנרל הגרמני אלכסנדר פון לינסינגן בקרב קובל והצליח לעצור את הרוסים ולגרום להם אבדות כבדות. ב-20 בספטמבר הגיע ברוסילוב למרגלות הרי הקרפטים, אבל בעיות לוגיסטיות ואבדות כבדות אילצו אותו להפסיק את המתקפה ולהתחפר.
למרות שבעלות בריתה של רוסיה ניסו לסייע לה ואף העבירו תחמושת דרך נמל מורמנסק, שנבנה במיוחד לצורך זה, היה זה מעט מדי ומאוחר מדי. בקרב הקצונה הרוסית התגבשה הדעה שבעלות בריתה של רוסיה הפקירו אותה, בעוד הם מקריבים עצמם על מנת לשחרר את הלחץ מחזית המערב.
לאחר שמתקפת ברוסילוב נעצרה נפוצו שמעות על כך שראש הממשלה ושר חוץ, בוריס שטורמר מקדם שיחות עם גרמנים על הפסקת אש. בתחילת נובמבר האשים פאבל מיליוקוב בישיבות הדומה את הקיסרית (הצאריצה) אלכסנדרה ואת שטורמר (שניהם ממוצא גרמני) בפעילות נגד המדינה לטובת חתימת הסכם שלום נפרד עם האימפריה הגרמנית. הצאר הבין שלא ניתן להמשיך עם הממשלה בראשות שטורמר לאור ההתנגדות העזה בקרב הציבור הרחב וב-20 בנובמבר פוטר שטורמר מכל תפקידיו בממשל. בדצמבר רצחו קצינים רוסים את רספוטין, יועצה רב ההשפעה של הצאריצה.
רוסיה במלחמה תחת ממשלת המעבר.
מהפכת פברואר.
עד ינואר 1917 נמנו בצבא הרוסי כשישה מיליון פצועים, שבויים ונעדרים. תנופת ההתקפה נעצרה ועל אף הצנזורה הצבאית הגיעו לעורף ידיעות מטרידות על מחסור חמור בציוד ובתחמושת, על קצינים בלתי כשירים וגנרלים מסואבים. העורף סבל מחסור חמור שגרר רעב ומחלות. היותו של הצאר עצמו המפקד העליון של הצבא הגבירה ומיקדה את הזעם הציבורי נגדו ונגד שלטון החצר שלו. האצבעות המאשימות בנוגע לתבוסות, למחסור ולכשלונות הפיקודיים הופנו בראש ובראשונה לשלטון המושחת שלפני המלחמה ולתפקודו הכושל במהלכה. בפטרוגרד ובשאר הערים הגדולות היה חורף 1916/1917 חורף של רעב ומחסור. תשתיות הרוסות, מחסור בכוח אדם בשדות ובבתי החרושת האזרחיים, זרם פליטים וליקויים שלטוניים הובילו לפגיעה בעורף ולחוסר שקט בערים בהן שלט שלטון חירום צבאי.
ב-7 במרץ (22 בפברואר לפי הלוח היוליאני) פרצה שביתה בבית החרושת פוטילוב בפטרוגרד, דיכוי השביתה גרר הפגנות. על אף יומיים של הפגנות המונים ופקודות מפורשות, סירב השלטון הצבאי בעיר לדכאן בכוח. לאחר חמישה ימים הצהירו חברי הדומה בארמון טבריצ'סקי שהם מסרבים לצו הקיסרי, שניתן בסמכות הצאר ששהה בחזית וקרא לפיזור הפרלמנט. בכך הצטרף הפרלמנט למרד. למחרת הצטרף למרד גם הצבא, כאשר חיילי חיל המצב הצטרפו למפגינים ופתחו את שערי מחסני הנשק בפני הפועלים.
ב-12 במרץ הוכרז על הקמת סובייט פטרוגרד, יומיים לאחר מכן הכריז סגן ראש הסובייט, אלכסנדר קרנסקי על הכפפת הצבא לסובייט. ב-15 במרץ הוקמה ממשלת המעבר של הרפובליקה הרוסית בראשות גאורגי לבוב הליברלי והצאר ניקולאי מסר את התפטרותו בעודו נוסע ברכבת מן החזית (למעשה העביר את הסמכויות לאחיו מיכאיל, שהעבירן לסובייט). הסובייט השיב את ניקולאי ניקולאייביץ' הבן לראשות הסטאבקה (הפיקוד העליון) ומינה את אלכסנדר גוצ'קוב לשר המלחמה. באפריל מונה מיכאיל אלכסייב למפקד העליון של הצבא. לשר החוץ התמנה פאבל מיליוקוב, שהרגיע את בעלות בריתה של רוסיה בהודיעו שארצו ממשיכה להיות מחויבת לבריתות שכרתה ושעל אף חילופי השלטון אין לה כל כוונה לפרוש מהמלחמה.
עקב חוסר האמון והיכולת שהפגינה הקצונה, עבר הצבא שינוי מכריע כאשר הוקמו ביחידותיו וועדי חיילים שזכותם היה להתנגד לפקודות.
באפריל הגיע לנין, מנהיג הבולשביקים, ששהה בגלות בשווייץ והתנגד למלחמה, להסכם עם ממשלת גרמניה לפיה יותר לו ולקבוצת סוציאליסטים לנסוע דרך שטחי גרמניה בקרון רכבת חתום אל תחנת פינלנד שבפטרוגרד. ההיתר ניתן מתוך תקווה גרמנית שתסיסה ברוסיה תחליש אותה ושאם הבולשביקים יתפסו את השלטון תוכל גרמניה להגיע עמם להסכם שלום נפרד ונוח.
מתקפת יוני, משבר יולי ופרשת קורנילוב.
במאי 1917, עקב הצהרתו המיליטריסטית של שר החוץ מיליוקוב, לפיה על רוסיה להמשיך ולהילחם כנגד גרמניה עד הניצחון, פרצו הפגנות ברחבי המדינה, בהם הפגנת 100,000 פועלים וחיילים בפטרוגרד בסיסמה "די למלחמה!". ביולי עלה מספר המפגינים בבירה נגד המלחמה לחצי מיליון.
בין 29 ביוני ל-15 ביולי 1917 הוצאה לפועל ההתקפה הגדולה האחרונה של רוסיה במלחמה, באזור גליציה. במתקפה השתתפו ארבע ארמיות של הצבא הרוסי ויחידות של צבא רומניה. ראשית ההתקפה באוקראינה בראשותו של לאוור קורנילוב, נחלה הצלחה, אך כעבור מספר ימי לחימה החלו הארמיות הרוסיות לסגת מפני כוחות גרמנים-אוסטריים נחותים מהם מספרית. ההתקפה הסתיימה באמצע יולי בתבוסה רוסית.
בעקבות התבוסה פרץ מרד שהובל על ידי אנרכיסטים ובולשביקים בראשות פיודור רסקולניקוב, יעקב סברדלוב, לאון טרוצקי, גרגורי זינובייב ולנין, שנודע כ"משבר יולי". המרד דוכא כעבור מספר ימים. מנהיגי המרד הוקעו כבוגדים ונמלטו לפינלנד לפני שנעצרו. הממשלה הזמנית סבלה טלטלה, רוב השרים הוחלפו ואלכסנדר קרנסקי התמנה ליו"ר מועצת השרים ושר הצבא והצי.
בספטמבר החליט המפקד העליון, הגנרל קורנילוב, לאכוף סדר על הבירה, שנשלטה לדעתו על ידי הבולשביקים, שאינם אלא משתפי פעולה של הגרמנים (קרנסקי, ראש ממשלת רוסיה העריך כי ייתכן שקורנילוב הונע על ידי בריטניה). באירוע, שנקרא פרשת קורנילוב, הורה המפקד העליון לחיל המצב, בסיוע גיס פרשים, להשתלט על עיר הבירה. ראש הממשלה קרנסקי נדהם מההתפתחות ונאלץ להשתמש בכוחות שהשתייכו לגווארדיה האדומה הבולשביקית נגד חייליו של קורנילוב. קרנסקי הצליח לעצור את המתקפה ושלח את המעורבים בה למאסר. הפעולה החלישה מאוד את קרנסקי והעלתה את קרנם של הבולשביקים בעיני הפועלים.
היציאה מהמלחמה.
מהפכת אוקטובר.