Die Entente wollte im Kriegsjahr 1916 die Mittelmächte durch aufeinander abgestimmte Großoffensiven an beiden Fronten zermürben. Während im Westen die Somme-Offensive noch vorbereitet wurde, begannen am 4. Juni 1916 die Russen an der Ostfront mit einem Großangriff auf insgesamt 300 Kilometern Breite. Der russische Hauptangriff richtete sich gegen den nördlichen Frontabschnitt, während eine weitere Offensive unter Führung von General Alexej A. Brussilow (1853-1926) gegen die österreich-ungarische Front im südlichen Abschnitt eigentlich nur als Ablenkung gedacht war. Doch trotz des ausgeglichenen Kräfteverhältnisses wurden die habsburgischen Truppen zwischen Rumänien und dem Styr von der russischen Offensive überrannt. Sofort sammelte Brussilow seine Truppen, um nachzusetzen. Den Russen gelang so der größte Schlachtsieg im gesamten Ersten Weltkrieg.
In nur drei Tagen hatte Österreich-Ungarn über 200.000 Soldaten verloren. Entscheidend war die schwache Kampfmoral der nationalen Verbände innerhalb der habsburgischen Armee, fast die Hälfte der Verluste waren Gefangene. Die Russen konnten Geländegewinne von 80 Kilometern Tiefe erzielen und fast an der gesamten Südostfront vorrücken. Am 7. Juni wurde Luzk (Ukraine) erobert, am 18. Juni Czernowitz (heute: Tschernowzy, Ukraine). Der von Brussilow auf breiter Front geführte Angriff machte es der österreichischen Armeeführung unmöglich, die Reserven an Durchbruchsstellen zu bringen. Erst mit zusätzlichen deutschen Truppen von der Westfront konnte die russische Offensive westlich des Styr schließlich zum Stehen gebracht werden.
Mit der überraschend erfolgreichen Offensive waren die russischen Truppen im Juli 1916 in der Bukowina weit vorgerückt; dieser Erfolg hatte Rumänien zum Kriegseintritt auf Seiten der Entente bewogen. Nach einigen Wochen Kampfpause setzte General Brussilow seine Offensive fort. Dafür wurden 66 russische Infanterie- und 23 Kavalleriedivisionen mit insgesamt über 700.000 Mann zusammengezogen, denen etwa 420.000 österreich-ungarische Soldaten gegenüberstanden. Ziel der Russen war die Rückeroberung von Lemberg (heute: Lwiw, Ukraine) und ein erneuter Vorstoß nach Ungarn. Am 8. August 1916 begann die russische Armee ihren Großangriff in Galizien und der Bukowina. Während die deutschen Truppen einen weiteren Angriff bei Kowel (Ukraine) abwehren konnten, musste die österreich-ungarische Armee ihre Stellungen zurücknehmen und konnte aufgrund der italienischen Angriffe am Isonzo keine neuen Verstärkungen heranziehen. Der befürchtete Durchbruch der Russen und ihre Vereinigung mit den rumänischen Truppen konnten jedoch nach schweren Kämpfen in den Karpaten verhindert werden. Wenig später stabilisierten die Mittelmächte ihre gefährdete Position an der Ostfront mit einem erfolgreichen Feldzug gegen Rumänien.
Zur Unterstützung der Rumänen begannen die Russen im Oktober 1916 die dritte Brussilow-Offensive, um den rumänischen Angriff auf Siebenbürgen zu unterstützen. Mit ihrer Offensive in der Bukowina und in den Karpaten wollten die Russen nach Ungarn durchstoßen und den Druck auf das vom nationalen Auseinanderbrechen bedrohte Habsburgerreich verstärken. Die russischen Angriffe bei Luzk (Ukraine) und an den Karpatenpässen stießen jedoch auf zähen Widerstand österreich-ungarischer Truppen, während der rumänische Vorstoß in Siebenbürgen beim Gegenangriff der Mittelmächte zusammenbrach. Um die Rumänen zu unterstützen, verlegte Brussilow immer größere Truppenkontingente in das Moldau-Gebiet. Der gleichzeitige deutsch-österreichische Sieg im Feldzug gegen Rumänien verschärfte die Lage für die Russen weiter. Die russische Offensive wurde im Dezember 1916 eingestellt und zusätzliche Verstärkung an die rumänische Front gebracht. Ende 1916 standen dort 35 Infanterie- und 13 Kavalleriedivisionen, fast ein Viertel der gesamten russischen Streitkräfte.
Die drei Brussilow-Offensiven hatten zwar keine Kriegsentscheidung an der Ostfront gebracht, aber Österreich-Ungarn doch insgesamt schwere Niederlagen bereitet: Die habsburgische Armee hatte eine Million Mann Verluste, ein Großteil davon Gefangene und Überläufer; die Deutschen verloren etwa 350.000 Mann. Aber auch die russische Armee zahlte mit 1,5 Millionen Soldaten einen hohen Preis für ihre Offensiven, die letztlich nicht zum Durchbruch führten, den Kriegswillen der russischen Bevölkerung angesichts der enormen Verluste aber entscheidend untergruben.