Con la esperanza de desviar las fuerzas alemanas del ataque a Verdún en el frente occidental, los rusos abrieron gallardamente pero de forma prematura una ofensiva al norte y al sur del lago Naroch (Narocz, al este de Vilna) el 18 de marzo de 1916, y la continuaron hasta el 27 de marzo, aunque ganaron muy poco terreno a un gran coste y sólo durante un corto tiempo. Entonces volvieron a los preparativos para una gran ofensiva en julio. El golpe principal, se planificó, debía ser asestado por el grupo central de ejércitos de A.E. Evert, ayudado por un movimiento hacia el interior del ejército de A.N. Kuropatkin en el sector norte del frente. Pero al mismo tiempo, el grupo de ejércitos del suroeste de A.A. Brusilov fue autorizado a realizar un ataque supuestamente de distracción en sus propios sectores. En realidad, el ataque de Brusilov se convirtió, con mucho, en la operación más importante de la ofensiva.
Sorprendida por la ofensiva de los austriacos en Asiago en mayo, Italia apeló rápidamente a los rusos para que actuaran y alejaran las reservas del enemigo de los frentes italianos, y los rusos respondieron adelantando de nuevo su calendario. Brusilov se comprometió a iniciar su ataque el 4 de junio, en el entendimiento de que el de Evert debería lanzarse 10 días después.
Así comenzó una ofensiva en el Frente Oriental que iba a ser el último esfuerzo militar realmente efectivo de la Rusia imperial. Conocida popularmente como la ofensiva de Brusilov, tuvo un éxito inicial tan asombroso como para revivir los sueños aliados sobre la irresistible «apisonadora» rusa. En cambio, su logro final fue hacer sonar la campana de la muerte de la monarquía rusa. Los cuatro ejércitos de Brusilov estaban distribuidos a lo largo de un frente muy amplio, con Lutsk en el extremo norte, Tarnopol y Buchach (Buczacz) en el sector central, y Czernowitz en el extremo sur. Tras atacar primero en los sectores de Tarnopol y Czernowitz el 4 de junio, el 5 de junio Brusilov tomó a los austriacos totalmente por sorpresa cuando lanzó al ejército de A.M. Kaledin hacia Lutsk: las defensas se derrumbaron de inmediato y los atacantes se abrieron paso entre dos ejércitos austriacos. A medida que se desarrollaba la ofensiva, los rusos tuvieron el mismo éxito en el sector de Buchach y en su empuje hacia Bucovina, que culminó con la captura de Czernowitz. Para el 20 de junio, las fuerzas de Brusilov habían capturado 200.000 prisioneros.
Evert y Kuropatkin, sin embargo, en lugar de golpear de acuerdo con el plan acordado, encontraron excusas para postergarlo. Por ello, el jefe del Estado Mayor ruso, M.V. Alekseyev, intentó transferir las reservas de esta pareja inerte a Brusilov, pero las comunicaciones laterales de los rusos eran tan deficientes que los alemanes tuvieron tiempo de reforzar a los austriacos antes de que Brusilov fuera lo suficientemente fuerte como para aprovechar su victoria. Aunque sus fuerzas en Bucovina avanzaron hasta los Cárpatos, un contragolpe de los alemanes de Alexander von Linsingen en el sector de Lutsk frenó el avance ruso en el punto decisivo. En julio se lanzaron nuevas ofensivas rusas desde el centro del frente de Brusilov, pero a principios de septiembre se perdió la oportunidad de aprovechar la victoria del verano. Brusilov había expulsado a los austriacos de Bucovina y de gran parte de la Galitzia oriental y les había infligido enormes pérdidas de hombres y equipo, pero al hacerlo había mermado los ejércitos rusos en cerca de 1.000.000 de hombres. (Una gran parte de este número consistía en desertores o prisioneros.) Esta pérdida minó seriamente tanto la moral como la fuerza material de Rusia. La ofensiva de Brusilov también tuvo resultados indirectos de gran importancia. En primer lugar, obligó a los alemanes a retirar al menos siete divisiones del Frente Occidental, donde difícilmente podrían librarse de las batallas de Verdún y Somme. En segundo lugar, aceleró la desafortunada entrada de Rumanía en la guerra.
Sin tener en cuenta el retraso militar de Rumanía, el gobierno rumano de Ionel Brătianu declaró la guerra contra Austria-Hungría el 27 de agosto de 1916. Al entrar en la guerra, Rumanía sucumbió a las ofertas de los Aliados sobre el territorio austrohúngaro y a la creencia de que las Potencias Centrales estarían demasiado preocupadas por otros frentes como para montar una réplica seria contra una ofensiva rumana. Unas 12 de las 23 divisiones rumanas, en tres columnas, iniciaron el 28 de agosto un lento avance hacia el oeste a través de Transilvania, donde al principio sólo había cinco divisiones austrohúngaras para oponerse a ellas.
La réplica de las Potencias Centrales fue más rápida que el progreso de la invasión: Alemania, Turquía y Bulgaria declararon la guerra a Rumanía el 28 de agosto, el 30 de agosto y el 1 de septiembre, respectivamente; y Falkenhayn ya tenía planes preparados. Aunque el fracaso de su programa general para el año hizo que fuera sustituido por Hindenburg como jefe del Estado Mayor alemán el 29 de agosto, se aprobó la recomendación de Falkenhayn de que Mackensen dirigiera un ataque búlgaro contra el sur de Rumanía; y el propio Falkenhayn pasó a mandar en el frente de Transilvania, para el que se dispuso de cinco divisiones alemanas y otras dos austriacas como refuerzos.
Las fuerzas de Mackensen de Bulgaria asaltaron la cabeza de puente de Turtucaia (Tutrakan) en el Danubio al sureste de Bucarest el 5 de septiembre. Su posterior avance hacia el este en el Dobruja hizo que los rumanos cambiaran sus reservas a ese barrio en lugar de reforzar su empresa de Transilvania, que a partir de entonces se detuvo. Falkenhayn no tardó en atacar: primero en el extremo sur del frente de 200 millas, donde hizo retroceder a una de las columnas rumanas en el paso de Roter Turm (Turnu Roşu), y luego en el centro, donde el 9 de octubre había derrotado a otra en Kronstadt (Braşov). Durante un mes, sin embargo, los rumanos resistieron los intentos de Falkenhayn de expulsarlos de los pasos de Vulcano y Szurduk (Surduc) hacia Valaquia. Pero justo antes de que las nieves invernales bloquearan el camino, los alemanes tomaron los dos pasos y avanzaron hacia el sur hasta Tîrgu Jiu, donde obtuvieron otra victoria. Después, Mackensen, tras girar hacia el oeste desde el Dobruja, cruzó el Danubio cerca de Bucarest, donde convergieron sus ejércitos y los de Falkenhayn. Bucarest cayó el 6 de diciembre, y el ejército rumano, una fuerza lisiada, sólo pudo retroceder hacia el noreste en Moldavia, donde contó con el apoyo tardío de las tropas rusas. Las Potencias Centrales tuvieron acceso a los campos de trigo y a los pozos de petróleo de Rumanía, y los rusos tuvieron 300 millas más de frente que defender.