In der Hoffnung, die deutschen Kräfte vom Angriff bei Verdun an der Westfront abzulenken, eröffneten die Russen am 18. März 1916 galant, aber verfrüht eine Offensive nördlich und südlich des Narochsees (Narocz, östlich von Vilna) und setzten sie bis zum 27. März fort, obwohl sie nur sehr wenig Boden unter großen Kosten und nur für kurze Zeit gewannen. Sie kehrten dann zu den Vorbereitungen für eine Großoffensive im Juli zurück. Der Hauptstoß, so wurde geplant, sollte von A.E. Everts zentraler Armeegruppe ausgeführt werden, unterstützt durch eine Vorwärtsbewegung der Armee von A.N. Kuropatkin im nördlichen Sektor der Front. Aber gleichzeitig wurde die südwestliche Heeresgruppe von A.A. Brusilow ermächtigt, einen vermeintlichen Ablenkungsangriff in ihren eigenen Sektoren durchzuführen. Der Angriff Brusilovs wurde zur weitaus wichtigeren Operation der Offensive.
Überrascht von der Asiago-Offensive der Österreicher im Mai, appellierte Italien umgehend an die Russen, die gegnerischen Reserven von den italienischen Fronten wegzuziehen, woraufhin die Russen ihren Zeitplan erneut vorverlegten. Brusilow verpflichtete sich, seinen Angriff am 4. Juni zu starten, unter der Bedingung, dass der Angriff von Evert 10 Tage später beginnen sollte.
Damit begann eine Offensive an der Ostfront, die die letzte wirklich effektive militärische Anstrengung des kaiserlichen Russlands sein sollte. Im Volksmund als Brusilow-Offensive bekannt, hatte sie einen so erstaunlichen Anfangserfolg, dass sie die Träume der Alliierten von der unwiderstehlichen russischen „Dampfwalze“ wieder aufleben ließ. Stattdessen läutete sie letztlich die Totenglocke für die russische Monarchie. Brusilovs vier Armeen waren entlang einer sehr breiten Front verteilt, mit Lutsk am nördlichen Ende, Tarnopol und Buchach (Buczacz) im mittleren Sektor und Czernowitz am südlichen Ende. Nachdem Brusilov am 4. Juni zuerst in den Sektoren Tarnopol und Czernowitz zugeschlagen hatte, überraschte er die Österreicher am 5. Juni völlig, als er die Armee von A.M. Kaledin in Richtung Lutsk vorstieß: Die Verteidigungsanlagen brachen sofort zusammen, und die Angreifer drängten sich zwischen zwei österreichischen Armeen hindurch. Im weiteren Verlauf der Offensive waren die Russen im Sektor Buchach ebenso erfolgreich wie bei ihrem Vorstoß in die Bukowina, der in der Einnahme von Czernowitz gipfelte. Bis zum 20. Juni hatten Brusilovs Truppen 200.000 Gefangene gemacht.
Anstatt jedoch gemäß dem vereinbarten Plan zuzuschlagen, fanden Evert und Kuropatkin Ausreden für ein Zögern. Der russische Generalstabschef M.V. Alekseyev versuchte daher, die Reserven dieses trägen Paares auf Brusilov zu übertragen, aber die seitliche Kommunikation der Russen war so schlecht, dass die Deutschen Zeit hatten, die Österreicher zu verstärken, bevor Brusilov stark genug war, das Beste aus seinem Sieg zu machen. Obwohl seine Truppen in der Bukowina bis zu den Karpaten vorstießen, stoppte ein Gegenschlag von Alexander von Linsingens Deutschen im Lutsker Sektor den russischen Fortschritt an der entscheidenden Stelle. Weitere russische Vorstöße aus dem Zentrum von Brusilovs Front wurden im Juli gestartet; aber Anfang September war die Gelegenheit, den Sieg des Sommers auszunutzen, verloren. Brusilov hatte die Österreicher aus der Bukowina und aus weiten Teilen Ostgaliziens vertrieben und ihnen große Verluste an Männern und Ausrüstung zugefügt, aber er hatte dabei Russlands Armeen um etwa 1.000.000 Mann dezimiert. (Ein großer Teil dieser Zahl bestand aus Deserteuren oder Gefangenen.) Dieser Verlust untergrub sowohl die Moral als auch die materielle Stärke Russlands ernsthaft. Brusilovs Offensive hatte auch indirekte Ergebnisse von großer Tragweite. Erstens hatte sie die Deutschen gezwungen, mindestens sieben Divisionen von der Westfront abzuziehen, wo sie von den Schlachten um Verdun und an der Somme nicht verschont werden konnten. Zweitens beschleunigte es den unglücklichen Kriegseintritt Rumäniens.
Ungeachtet der militärischen Rückständigkeit Rumäniens erklärte die rumänische Regierung von Ionel Brătianu am 27. August 1916 den Krieg gegen Österreich-Ungarn. Mit dem Kriegseintritt erlag Rumänien den Angeboten der Alliierten für österreichisch-ungarisches Gebiet und dem Glauben, dass die Mittelmächte zu sehr mit anderen Fronten beschäftigt sein würden, um einen ernsthaften Gegenschlag gegen eine rumänische Offensive zu führen. So begannen 12 der 23 rumänischen Divisionen in drei Kolonnen am 28. August einen langsamen Vorstoß nach Westen durch Siebenbürgen, wo ihnen zunächst nur fünf österreichisch-ungarische Divisionen gegenüberstanden.
Die Antwort der Mittelmächte war schneller als der Fortschritt der Invasion: Deutschland, die Türkei und Bulgarien erklärten Rumänien am 28. August, am 30. August bzw. am 1. September den Krieg, und Falkenhayn hatte bereits Pläne. Obwohl das Scheitern seines Gesamtprogramms für das Jahr dazu führte, dass er am 29. August von Hindenburg als Chef des deutschen Generalstabs abgelöst wurde, wurde Falkenhayns Empfehlung, dass Mackensen einen bulgarischen Angriff auf Südrumänien leiten sollte, genehmigt; und Falkenhayn selbst ging zum Kommando an der siebenbürgischen Front, für die fünf deutsche sowie zwei weitere österreichische Divisionen als Verstärkung gefunden wurden.
Mackensens Truppen stürmten am 5. September von Bulgarien aus den Brückenkopf Turtucaia (Tutrakan) an der Donau südöstlich von Bukarest. Sein anschließender Vorstoß ostwärts in die Dobrudscha veranlasste die Rumänen, ihre Reserven dorthin zu verlegen, statt ihr siebenbürgisches Unternehmen zu verstärken, das daraufhin zum Stillstand kam. Falkenhayn griff bald an: zuerst am südlichen Ende der 200-Meilen-Front, wo er eine der rumänischen Kolonnen in den Roten Turm (Turnu Roşu) zurückwarf, dann in der Mitte, wo er am 9. Oktober eine andere bei Kronstadt (Braşov) besiegte. Einen Monat lang widerstanden die Rumänen jedoch den Versuchen Falkenhayns, sie über die Pässe Vulkan und Szurduk (Surduc) in die Walachei zu treiben. Doch kurz bevor der Winterschnee den Weg versperrte, nahmen die Deutschen die beiden Pässe und rückten nach Süden bis Tîrgu Jiu vor, wo sie einen weiteren Sieg errangen. Dann wandte sich Mackensen von der Dobrudscha aus nach Westen und überquerte die Donau bei Bukarest, wo seine und Falkenhayns Armeen aufeinander trafen. Bukarest fiel am 6. Dezember, und die rumänische Armee, eine verkrüppelte Streitmacht, konnte sich nur noch nach Nordosten in die Moldau zurückziehen, wo sie verspätet von russischen Truppen unterstützt wurde. Die Mittelmächte hatten Zugang zu Rumäniens Weizenfeldern und Ölquellen, und die Russen hatten noch 300 Meilen Front zu verteidigen.