1916. június 04-én vette kezdetét a luck-oknai áttörés, közismertebb nevén a Bruszilov-offenzíva. Még 1915 decemberében megállapodtak az antant hatalmak a hadműveleteik összehangolásában, de a rá következő év januárjában az orosz fél jelezte, hogy július 1. előtt nem tud nagyobb hadműveletet indítani. Ám a február óta folyó verduni csata és a májusban indított dél-tiroli osztrák-magyar offenzíva mégis szükségessé tett egy tehermentesítő akciót a keleti fronton.
Alekszej Bruszilov lovassági tábornoknak 4 hadsereg állt rendelkezésére, 40 gyalog és 15 lovashadosztállyal szemben az osztrák-magyar erők 39 gyalog- és 10 lovashadosztályával. Bruszilov tudta, hogy nem kaphat erősítéseket, ezért az összes tartalékát előrevonta és titokban megközelítette az osztrák-magyar arcvonalat (volt olyan szakasz, ahol alig 70 m volt a csapatok közt!). Rövid, de hatékony és pontos tüzérségi előkészítés után egy 480 kilométeres arcvonalon indult meg a meglepetésszerű orosz támadás. A rövid tüzérségi előkészítés miatt az ellenfélnek nem volt ideje visszavonulni az első vonalból, sem tartalékokat előrevonni, illetve a támadók dolgát nem nehezítette az átjárhatatlan terep, ami gyakori következménye volt a hosszabb előkészítésnek. A másik érdekesség, hogy az oroszok itt alkalmaztak első ízben rohamcsapatokat, melyek az ellenfél arcvonalának gyengébb pontjain hatoltak be, mintegy kaput nyitva a támadó sereg többi részének. Ez az eljárás szakított az addig általánosan alkalmazott tömegrohamokkal.
Az orosz 8. hadsereg már a támadás első napjaiban mélyen benyomult az osztrák-magyar 4. hadsereg állásaiba és június 10-ére már 85 km széles és 48 km mély terület került az oroszok kezére. A többi frontvonalon változó volt a támadás sikere: az orosz 11. hadsereg támadását sikerült visszaverni, de délen a 7. és 9. hadsereg áttörte az osztrák-magyar vonalakat és mélyen behatolt Galíciába, emiatt elkerülhetetlenné vált a visszavonulás. A Monarchia kénytelen volt az olasz frontról erősítéseket, illetve segítséget kérni a német szövetségesétől is. Az osztrák-magyar 4. hadsereg éléről leváltották József Ferdinánd főherceget, akinek helyét Tersztyánszky Károly vezérezredes vette át. Határozott fellépésével sikerült összeszedni a megvert és demoralizált csapatokat és június 16-án ellentámadást indított, ami viszont csak korlátozott sikereket ért el. A központi hatalmaknak csak 1916 szeptemberére sikerült stabilizálni a frontvonalakat, amely néhol egészen közel húzódott a magyar határhoz.
Az offenzíva több következménnyel is járt, melyek befolyásolták a háború további menetét: a németeknek le kellett állítani Verdun ostromát, hogy csapatokat tudjanak átvezényelni keletre, augusztusban pedig az olasz csapatok megkezdték a 6. isonzói csatát, amelynek során Görz (Gorizia) területét elfoglalták és még szintén ebben a hónapban az orosz sikeren felbátorodva Románia is belépett a háborúba. Csak a Monarchia seregei körülbelül 600.000 főt veszítettek halottakban, sebesültekben és foglyokban és mintegy 25.000 négyzetkilométernyi terület került át orosz kézre. A súlyos vereség szellemileg és erkölcsileg is óriási mértékben meggyöngítette az osztrák-magyar csapatokat, akik ezután német segítség nélkül már nem vállalkoztak nagyobb szabású hadműveletre.
A győzelemért viszont hatalmas árat fizettek az oroszok: 800.000 főt veszítettek halottakban, sebesültekben és hadifoglyokban (beszédes adat, hogy az osztrák-magyar visszavonulás során több mint 50.000 orosz katona dezertált), ez az óriási emberáldozat pedig tovább növelte az országban a belső feszültséget és még jobban megágyazott a következő évben kitört forradalomnak.