Au début de la Première Guerre mondiale, il commande la armée russe. En , il s'illustre face aux Autrichiens par sa victoire à la bataille de Lemberg et avance jusqu'aux Carpates. Mais les combats dans les Carpates entre  et  sont coûteux et indécis. En 1915, la Grande Retraite des forces russes en Pologne oblige la armée à se replier vers l'Ukraine mais Broussilov stoppe l'avance germano-austro-hongroise à Rivne en . En , Broussilov est affecté au commandement du Front du Sud-Ouest regroupant quatre armées russes en remplacement de Nikolaï Ivanov. En juin, il lance une offensive en Galicie. D'abord victorieuse et prometteuse, celle-ci se révèle au fil des mois extrêmement coûteuse en hommes, mais convainc la Roumanie d'entrer en guerre aux côtés de la Russie.