Nell'Offensiva asburgo-tedesca di Gorlice-Tarnów il ruolo di Dimitriev era quello di mantenere la linea, mentre l'11ª e 12ª armata in Bucovina doveva rinnovare l'offensiva nei Carpazi ed Ungheria. L'errore di Dimitriev fu di non fare preparativi per contrastare l'offensiva tedesca, che dall'aprile 1915 avevano sostituito gli austro-ungarici nella linea di Gorlice; le trincee russe nel suo settore erano grezze e in molte zone non c'era nemmeno la seconda linea di difesa. A Gorlice 5½ divisioni russe (60.000 uomini) di coscritti scarsamente addestrati affrontarono 10 divisioni tedesche dell'11ª armata, comandata da August von Mackensen, che inoltre aveva a disposizione 700 cannoni tra cui molti di grosso calibro, mentre i russi potevano contare di solo 140 cannoni leggeri. Il bombardamento senza tregua che aprì l'offensiva di Gorlice-Tarnów sfondò la parte anteriore dello schieramento russo, ma il generale Michail Vasil'evič Alekseev, inizialmente di stanza a Stavka, non prese sul serio l'offensiva, in quanto era convinto che fosse un diversivo e il principale attacco tedesco sarebbe stato a nord. Un contrattacco russo fu ordinato da Stavka ed ebbe luogo presso il passo di Dokra il 7 maggio, ma fu un massacro inutile. Di conseguenza, gran parte della 3ª armata fu tagliata fuori, per cui il 10 maggio Dimitriev ordinò la ritirata, ma solo 40.000 su 200.000 raggiunsero il fiume San. Dimitriev nel suo rapporto affermò giustamente che il suo esercito era "esangue", ma fu comunque rimosso dal comando il 2 giugno e sostituito dal generale Leš.