Az oroszországi forradalmi nyugtalanság kitörésekor Bruszilov tábornok is azokhoz csatlakozott, akik a cár lemondását tartották szükségesnek. 1917. március 13-án (a Julián naptár szerint "március 1-jén") táviratot küldött II. Miklós cárnak, amelyben kérte az uralkodót, hogy köszönjön le, és Mihail Alekszandrovics nagyherceget nevezze ki régenssé. Miklós cár 1917. március 15-én (a Julián naptár szerint "március 3-án") valóban lemondott. Május 22-én Kerenszkij, az Ideiglenes Kormány hadügyminisztere Bruszilov tábornokot nevezte ki az orosz haderő főparancsnokává, Alekszejev tábornok helyére. Már május 23-án tervet dolgozott ki „önkéntes forradalmi zászlóaljak szervezésére”. Az egymással harcoló politikai csoportok között azonban egyedül maradt. A júliusi szentpétervári zavargások során figyelmeztette Kerenszkijt a bolsevik puccs veszélyére, ennek elhárítására nyomatékosan javasolta a kronstadti hadikikötő lövetését (de ez nem történt meg). Az 1917. július elején indított Kerenszkij-offenzíva kudarca nyomán vetélytársai a forradalom árulójának kiáltották ki. Július 31-én "(18-án)" leváltották, helyére Kornyilov tábornokot nevezték ki.