В этих условиях Брусилов приказал всем армиям быть готовыми перейти в общее наступление. Главной силой фронта по-прежнему оставалась 8-я армия, нацеленная на Ковель.
4 июля войска Юго-Западного фронта возобновили наступление. Проведя артиллерийскую подготовку, они прорвали фронт и, сломив сопротивление противника, за несколько дней вышли на реку Стоход, но форсировать ее так и не смогли. Понимая, что австро-венгерские войска не удержатся на Стоходе, германское командование перебросило сюда свои дивизии.
Брусилов приказал прекратить наступление на этом направлении, и возобновить здесь наступление лишь после подвоза артиллерии и получения резервов. Лишь 9-я армия успешно двигалась вперед и 8 июля взяла Делетин.
Ставка любой ценой хотела форсировать Стоход и взять Ковель. В район Луцка был переброшен стратегический резерв верховного главнокомандующего – Особая армия, составленная из двух гвардейских корпусов пехоты и гвардейскою кавалерийского корпуса. Особая армия должна была атаковать Ковель с юга, а 3-я – с севера и востока. 8-я армия по-прежнему наступала на Владимир-Волынский, 11-я армия – на Броды, Львов, а 7-я и 9-я – на Галич и Станислав.
28 июля войска Брусилова снова начали наступление, но здесь их уже встретили крупные германские силы. Особая армия сумела продвинуться за три дня лишь на 10 верст, а до Ковеля дойти так и не смогла, застряв в полесских болотах. Войска, действующие на правом фланге, понесли громадные потери, но так и не смогли выполнить поставленных задач. На других направлениях войска Юго-Западного фронта достигли больших результатов. 11-я армия заняла Броды, 7-я – Монастержиску. Под натиском 19-й армии австро-венгерские войска были вынуждены оставить Буковину и Станислав. В конце августа Брусилов предпринял атаку четырьмя армиями фронта, но лишь 7-я и 9-я смогли немного продвинуться вперед. Скоро и они были вынуждены остановиться и перейти к обороне.
В ходе летнего наступления 1916 года войска Юго-Западного фронта захватили в плен 8924 офицера и 408 тысяч солдат противника. В качестве трофеев было взято 581 орудие и 1795 пулеметов. Австро-Венгрия была фактически выведена из войны, и в серьезных операциях ее войска больше не участвовали. Наступление Юго-Западного фронта было первым успешным наступлением, проведенным в условиях позиционной войны. Это одна из немногих наступательных операций, названная в честь своего, командующего – Брусиловский прорыв. За победы в летнем наступлении 1916 года Брусилов был награжден Георгиевским оружием, украшенным бриллиантами.
С вступлением в войну Румынии Брусилов обратился к Николаю II с предложением: или подчинить румынский фронт Юго-Западному, или создать новый фронт. Император пошел по второму пути и создал новый румынский фронт во главе с генералом В.Н. Сахаровым. Но это не могло поправить дела, и скоро румынская армия была окончательно разбита, территория Румынии оккупирована, а русские войска продолжали перебрасываться на Румынский фронт. Лишь в декабре на новом направлении положение стабилизировалось.
В Ставке уже вырабатывались планы новой кампании. Брусилов считал, что коренной перелом может произойти лишь при совместном наступлении на всех фронтах, что позволило бы связать силы противника. Для этого он предлагал избрать форму летнего наступления Юго-Западного фронта, но теперь особое внимание обратить на ведение боевых действий на Балканах.
В конце декабря в Ставке вновь собралось руководство русской армии для определения задач кампании 1917 года. Идеи Брусилова не встретили поддержки у командующих других фронтов. Николай II, не интересуясь мнениями собравшихся, уехал в Петербург, получив из столицы известие об убийстве Григория Распутина.
Лишь в январе был составлен план кампании 1917 года. Главный удар должен был наносить Юго-Западный фронт в направлении на Львов. Северо-Западный и Западный фронты наносили вспомогательные удары. Общее наступление должно было начаться не позднее 1 мая.
По замыслу Брусилова главный удар наносила 7-я армия, наступая на северо-запад, в направлении на Львов; с востока на Львов наступала 11-я армия. Особая и 3-я армии вновь наступали на Владимир-Волынский и Ковель. 8-я армия выполняла вспомогательные задачи.
Тем временем революционное брожение в стране нарастало. В Петрограде начались волнения рабочих, известие о которых с запозданием дошло до Ставки. Начальник штаба верховного главнокомандующего Алексеев почти ежедневно вызывал Брусилова к прямому проводу, выясняя его настроение. Сам он уже давно поддерживал контакты с председателем Государственной думы Родзянко и стал оказывать ему содействие в устранении о престола Николая II. В целях получения поддержки у российского генералитета Родзянко провел опрос командующих фронтами по создавшемуся в стране положению и предложил передать власть лицу, пользующемуся доверием населения.