Offensiven startade den 4 juni 1916 och pågick till slutet av september samma år. Den utspelade sig på östfronten, i ett enormt område som idag huvudsakligen ligger i Ukraina.

Tillsammans med sina officerare skapade han en helt ny krigskonst:
Bred front: Istället för att attackera på ett litet, smalt ställe (vilket varnade fienden), attackerade han längs en 40 mil bred linje. Fienden visste inte var huvudstöten skulle komma.
Kort och precist artilleri: Istället för att bomba i veckor (som britterna gjorde vid Somme), använde han kort, extremt exakt artillerield för att klippa taggtråd och slå ut fiendens ledningscentraler.
Chocktrupper: Han tränade upp små grupper av elit-soldater som smög sig nära fienden i hemliga löpgravar och slog till blixtsnabbt för att rensa vägen för huvudarmén.

Det blev en total katastrof för dem. Deras försvarslinjer kollapsade nästan omedelbart och över 400 000 österrikisk-ungerska soldater togs som krigsfångar. Efter Brusilovoffensiven var Österrike-Ungerns armé i praktiken knäckt; de kunde inte längre genomföra några operationer utan hjälp från Tyskland.

Offensiven var en enorm lättnad för Rysslands allierade (Ententen). När den österrikisk-ungerska fronten rasade samman, tvingades Tyskland avbryta sina anfall vid Verdun på västfronten och skicka trupper i ilfart österut för att stoppa ryssarna. Även Österrike-Ungern fick dra tillbaka soldater från sin strid mot Italien.

Trots att det var en briljant taktisk seger, var priset för högt för ett land som redan höll på att falla isär. Runt en miljon ryska soldater dödades eller sårades i offensiven. Förlusterna, kombinerat med att landets järnvägar och matförsörjning kollapsade under trycket från attacken, gjorde att det ryska folket tappade tålamodet med kriget och tsaren. Några månader senare bröt revolutionen ut.