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早于1916年，法国已开始呼吁俄国在东线展开一次针对德国的攻势，希望藉德国调拨更多部队应付东面俄国的攻击，以助减轻凡尔登的军事压力。俄国则通过在维尔纽斯地区发动一场惨重的纳拉奇湖攻势作回应，但此战只为德国遭受不足俄国五分之一的实际伤亡。而俄国将领布鲁西洛夫便向俄国最高司令部呈达了他的计划，他提议在西南部的加里西亚意图向奥匈军队进利一次大规模的攻势。布鲁西洛夫行动的主要目的是移去部分英法联军军队（位处法国）和那独自面对伊松佐河战线的意军压力，并尽可能在战争中彻底将奥匈击败。
在此前的东线，俄国的西方军事集团指挥官阿列克谢·埃弗特上将一向奉行抵御性战略，并对布鲁西洛夫采取的攻势抱持反对。对此沙皇尼古拉二世在1915年向军队下达了个人指令。虽然埃弗特一直也是尼古拉甚至皇室的坚实支持者，不过最终沙皇还是坚持批准布鲁西洛夫的计划。攻势目标便是在上一年失掉给同盟国阵营的两个城市，哥佛尔和伦伯格。虽然俄国最高司令部亦认可了布鲁西洛夫的计划，但同时他也被直接否决了邻近战线为攻势提供支援的请求。
俄西南方面军（辖第8、第11、第7、第9集团军，共57.3万人、1770门轻炮、168门重炮，由布鲁西洛夫指挥）为支援意军，决定提前发动进攻。其企图是：第8集团军在21公里宽正面上向卢茨克方向实施主攻，其他各集团军分别选择数个突破地段采取行动，以便在450公里宽的战线上多点突破，使敌军难以判断主攻方向，无法向主攻方向输送兵力。战役准备极为周密、隐蔽。
俄军于该年6月4日正式发动大规模攻势，短小却精确的火炮弹幕针对着整条奥匈防线。这精准而简洁的轰炸便是此战的关键处，亦与惯常的全日持久性炮轰成了鲜明的对比。因为后者往往能给予守方充足的时间去进行整备并彻出前方的堑壕，甚至将战场破坏得令攻方寸步难移。初段的进击也随着奥匈防线的崩坏而完胜，使布鲁西洛夫四分之三的军队能够更大幅度地推进到更广阔的前线。突破的成功在很大程度上可归功于突击部队，这布鲁西洛夫的创新部队一直依照着奥匈防线的弱点逐个攻击，导致俄军主力能轻而易举地利用它们实施突破。而布鲁西洛夫的革新为德国的渗透战术奠定了战术基础，并将后者应用于西线之上。
俄国的西南军于6月8日夺取了陆斯克。奥匈司令约索夫·费迪南大公亦只能挥军在俄军进城前仅仅撤出，足以证明俄军推进速度之快。至奥匈全面撤军的这一阶段，俄军已俘虏了近200,000名战俘。此刻布鲁西洛夫的大军已显得过度扩张，而他亦明确地指出，今次行动能进一步成功将取决于埃弗特会否展开他那一部份的攻击。很可惜埃弗特却继续纯粹地拖延，这给予了德国最高指挥部调派增兵到东线支援的宝贵时间。
在陆斯克沦陷的同一天，同盟国阵营举行了军事会晤，德国总参谋长埃里希·冯·法金汉成功说服了其奥匈代表赫岑多夫把南线的军队由意大利撤至加里西亚以对付俄军。在东部（Oberkommando-Ost），德军总司令兴登堡陆军元帅再一次能利用完善的铁路网络将德国后援输送到前线。
终于在7月18日，埃弗特领军开展了一次松散又准备不足的攻势。至7月24日，阿历山大·冯·连辛根在科韦尔南部向俄军策动的反击总算暂时遏止了敌军的攻势。俄国最高指挥部开始将部队由埃弗特的前线转往支援布鲁西洛夫，这调动却受到布鲁西洛夫本人强烈的反对，因为他判断更多的部队只会招致其前线变得凌乱。所有涉及今次行动的部队也快到达了疲惫的极限，这轮攻势最终亦不得不于九月底正式停止。纵然如此，结束后的俄军仍需转移到近东协助罗马尼亚，而这亦是奥匈与德国两军所此料不及的。
布鲁西洛夫的行动达致了其原有目标﹔使德军不得不停止在凡尔登的攻伐来把具可观数量的部队调往东线。此后奥匈大军再不能在此处发动一次可成功挺进的攻击，反而是只能依靠德国陆军来维持其军事成就。战役早期的成功，令罗马尼亚信心增加倒向协约国一侧而参加战争，导致灾难性的后果。
布鲁西洛夫攻势也被列入世界历史上死伤最重的战役。此次攻势，俄军伤亡约50万，奥匈帝国110万，德国也损失35万人。这次攻势，也引发了一连串连锁反应。德军总参谋长法尔肯海因由于调兵援助东线，结果使进攻凡尔登要塞受挫，受到德皇威廉二世严厉批评而去职，随后力主和西方媾和的军方保守派兴登堡和鲁登道夫上台。尽管布鲁西洛夫攻势在战场上取得了成功，但毕竟俄军死伤惨重。此前，俄军已经损失了500万有生力量，俄国君主制已千疮百孔。1917年，俄国爆发革命，先是沙皇统治被推翻，随后经过残酷斗争，苏维埃政权登上历史舞台。
布鲁西洛夫攻势达到了俄国在一次大战成就上的最高峰，也可说是部份罕有俄罗斯帝国陆军能具备良好领导和规划的表现之一。此后由于巨大的伤亡导致国内经济和政治局势严重恶化，俄军在伤亡惨重的同时没有无法得到有效的补给与人力补充，战斗力和战斗意志受到严重影响。因而俄军虽然在前线击退了德国和奥匈，仍然有至少58,016名俄罗斯士兵成为了逃兵。
这次行动的特点是俄罗斯的战术质量有相当大的改善。布鲁西洛夫使用较小的专门单位之士兵攻击奥匈帝国战壕的薄弱环节和炸开缺口，使余下的俄军挺进。这些突击战术是惊人的背离人海战术，这是在第一次世界大战期间直到当时所有主要军队很普遍的战术。具有讽刺意味的是，俄罗斯本身也没有意识到布鲁西洛夫创出的潜在战术，反而是德军从中得到了启发。此后，德国明显把握和利用突击战术，对其1918年在西线的进攻产生影响。后来，英国人富勒基于对布鲁西洛夫攻势等战役的研究和西线英军使用坦克的经验，提出了机械化战争理论。到了20世纪30年代，古德里安在富勒的基础上，进一步发展其理论，提出了装甲部队必须独立编成，并集中运用的原则。纳粹德国开始出现较大规模适应的机械化作战编制，普遍装备了坦克和各种装甲战车，并且在作战构想中开始运用坦克、飞机、步兵和炮兵的协同以达到快速制胜的目的。这在后来则脱胎成德军二战初期“闪电战”的指导思想，并在苏联和西方盟国战胜德国的过程中大规模运用，从而宣告堑壕战时代的终结，理论将持续到朝鲜战争和第一次印度支那战争，结束了大量堑壕战的时代，只有少数国家，主要是在非洲仍然利用堑壕战战术。
英国学者基斯·杰弗里：布鲁西洛夫的突破是这场战争中俄罗斯帝国最成功的进攻，但是也是最终削弱了同盟国持续参战能力的进攻。
