En el verano de 1915 su ejército es rechazado hasta Polonia. En marzo de 1916, se le concedió el mando del frente suroeste, que agrupaba cuatro ejércitos rusos. Hasta entonces lo había mandado el influyente general Nikolái Ivánov. En junio, lanzó sobre Galitzia la que se conoció como Ofensiva Brusílov. Esta ofensiva, que en principio parecía victoriosa y prometedora, resultó ser al cabo del tiempo extraordinariamente costosa en recursos humanos, pero sirvió para convencer a Rumania para que entrara en guerra. A pesar del no muy claro resultado de esta batalla, el prestigio de Brusílov no se vio afectado, y tras la Revolución de Febrero alcanzó el puesto de comandante en jefe de los ejércitos rusos. En julio de 1917, dirigió una nueva ofensiva en Galitzia, la Ofensiva Kérenski, un estrepitoso fracaso, en especial debido a la muy débil moral de sus soldados y a la falta de oficiales relevantes, ya que muchos de estos habían sido apartados por el Gobierno provisional.