К весне обстановка на фронте изменилась. Австро-венгерские войска, усиленные немецкими дивизиями, обошли левый фланг русских войск, армия Брусилова была вынуждена оставить предгорья Карпат и отойти к Днестру. В тяжелых боях она пресекла все попытки противника прорваться к Перемышлю, и 9 марта крепость сдалась. Это был крупный успех, которого войска Антанты еще не знали. В плен сдалось 9 генералов, 2500 офицеров, 120 тысяч солдат, было взято более 900 орудий.
К сожалению, больше крупных успехов в 1915 году русская армия не имела, и к лету войска отступали по всему фронту. Армия Брусилова оставила Галицию. К осени 1915 года фронт стабилизировался, и зиму армии провели в позиционной обороне, готовясь к новым боям. В марте 1916 года генерал-адъютант Брусилов был назначен главнокомандующим Юго-Западным фронтом.
План Ставки на 1916 год предусматривал нанесение главного удара силами Западного фронта на берлинском стратегическом направлении, армии Северного и Юго-Западного фронтов должны были наносить частные сковывающие удары.
Роль статиста в общем наступлении Брусилова не устраивала, и он начинает готовить войска фронта к решительным боям. Не располагая превосходством в силах, главком решил добиться успеха засчет отхода от шаблонов и тщательной подготовкой наступления.
Главный удар наносила 8-ая армия в направлении на Луцк, для этого привлекались почти все резервы и артиллерия. Каждой армии и многим корпусам тоже определялись участки прорыва. Особую роль в прорыве обороны противника Брусилов отводил артиллерии. Он подчинил часть легких батарей командирам пехотных полков первой линии. При проведении артиллерийской подготовки ввел вместо огня по площадям огонь по конкретным целям. Пехотную атаку планировал проводить волнами цепей, усилив их пулеметами при артиллерийском сопровождении. Для завоевания господства в воздухе сформировал фронтовую истребительную авиационную группу.
22 мая Брусилов начал мощную артиллерийскую подготовку, вслед за ней в атаку пошла пехота. В течение первых трех дней фронт на Луцком направлении был прорван на протяжении 80 верст, наметился успех на участках прорыва ряда армий и корпусов. Казалось бы, Ставка должна поддержать наметившийся оперативный успех. Но происходит необъяснимое. Начало наступления Западного фронта откладывают до 4 июня, одновременно отказывая Брусилову в выделении резервов и предписывая продолжать сковывать противника демонстративными боями. Только через десять дней Ставка стала перебрасывать резервы на Юго-Западный фронт, предоставив ему право нанесения главного удара. Но время было уже упущено. Тяжелые бои, то затухая, то разгораясь вновь, продолжались до сентября. Без поддержки соседей армии Брусилова разгромили австро-венгерские и германские войска в Галиции и Буковине, нанеся им огромные потери — до 1,5 миллионов человек, захватили около 600 орудий, 1800 пулеметов, большие трофеи.
Анализируя Брусиловский прорыв, военные историки часто употребляют слово «впервые»: впервые стратегическая наступательная операция проводилась в условиях позиционной войны; впервые глубоко эшелонированная оборона прорывалась одновременными дробящими ударами на ряде участков фронта; впервые были выделены батареи сопровождения пехоты и применено последовательное сосредоточение огня для поддержки атаки — такое перечисление можно продолжать долго.
Война продолжалась, но в стране назревали значительные перемены. Вслед за падением самодержавия, стремительно пошел процесс разложения армии. С конца мая Брусилов два месяца выполнял обязанности верховного главнокомандующего, но остановить развал армии он уже не мог.
Оставив армию, Брусилов поселился в Москве. В ноябре был тяжело ранен осколками случайно попавшего в дом снаряда и до июля 1918 г. лечился в госпитале. В этот период его посещали представители Белого движения, стараясь привлечь на свою сторону. Это не осталось незамеченным, и Брусилова арестовали. Два месяца он находился на Кремлевской гауптвахте, но был освобожден за отсутствием доказательств связи с антисоветским движением. В это же время были арестованы его брат, умерший в заключении, и сын, бывший ротмистр Алексей. Сын вскоре был освобожден, а в 1919 г. добровольно вступил в Красную армию, командовал кавалерийским полком. В одном из боев попал в плен. По одной версии -был расстрелян, по другой — вступил в Добровольческую армию и умер от тифа.
До 1920 года Брусилов сторонился активного сотрудничества с большевиками. Но с началом войны с Польшей выступил с предложением организовать «совещание из людей боевого и жизненного опыта для подробного обсуждения настоящего положения России и наиболее целесообразных мер для избавления от иностранного нашествия». Уже через несколько дней приказом РВС Республики было образовано Особое совещание при Главкоме, председателем которого назначили Брусилова. Вскоре в «Правде» было опубликовано воззвание «Ко всем бывшим офицерам, где бы они ни находились». Первой под воззванием стояла подпись
В период боев за Крым Брусилову предложили написать воззвание к врангелевцам о прекращении сопротивления. Доверившись заверениям, что все добровольно сложившие оружие будут отпущены по домам, он такое обращение написал. Многие белые офицеры, поверив генералу, сложили оружие. Значительная часть их была расстреляна. Брусилов очень тяжело переживал свою причастность к их гибели, но службу в Красной армии продолжил. Он был назначен членом Военно-законодательного совещания при РВС Республики, а также главным инспектором Главного управления коннозаводства и коневодства РСФСР. Благодаря огромному авторитету Брусилова в военной среде, его охотно назначали и на другие должности, связанные с кавалерией, привлекали к чтению лекций в Академии РККА. А когда Брусилов вышел в отставку, его оставили в распоряжении РВС СССР «для особо важных поручений».
Умер Алексей Брусилов 17 марта 1926 г. в Москве на 73-м году жизни. Он был похоронен со всеми воинскими почестями на территории Новодевичьего монастыря.
Время все расставляет по своим местам. Память о генерале Брусилове продолжает жить. И не вина его, а беда, что привыкший жить по законам чести, он не смог вовремя понять, что в новой России, которой он пытался честно служить, эти законы доступны далеко не всем.