Dans l’espoir de détourner les forces allemandes de l’attaque de Verdun sur le front de l’Ouest, les Russes ouvrent galamment mais prématurément une offensive au nord et au sud du lac Naroch (Narocz, à l’est de Vilna) le 18 mars 1916, et la poursuivent jusqu’au 27 mars, bien qu’ils gagnent très peu de terrain à grands frais et seulement pendant une courte période. Ils reviennent alors aux préparatifs d’une grande offensive en juillet. Il était prévu que le coup principal serait porté par le groupe central d’armées d’A.E. Evert, aidé par un mouvement vers l’intérieur de l’armée d’A.N. Kuropatkin dans le secteur nord du front. Mais dans le même temps, le groupe d’armées sud-ouest de A.A. Brusilov a été autorisé à effectuer une attaque supposée de diversion dans ses propres secteurs. En l’occurrence, l’attaque de Broussilov devint de loin l’opération la plus importante de l’offensive.
Surprise par l’offensive des Autrichiens à Asiago en mai, l’Italie fit rapidement appel aux Russes pour qu’ils agissent afin d’éloigner les réserves de l’ennemi des fronts italiens, et les Russes répondirent en avançant à nouveau leur calendrier. Brusilov entreprend de lancer son attaque le 4 juin, étant entendu que celle d’Evert devrait être lancée 10 jours plus tard.
C’est ainsi que débute une offensive sur le front oriental qui sera le dernier effort militaire réellement efficace de la Russie impériale. Populairement connue sous le nom d’offensive de Brusilov, elle connut un succès initial si étonnant qu’il fit renaître les rêves alliés sur l’irrésistible « rouleau compresseur » russe. Au lieu de cela, sa réussite finale a été de sonner le glas de la monarchie russe. Les quatre armées de Brusilov sont réparties sur un front très large, avec Lutsk à l’extrémité nord, Tarnopol et Buchach (Buczacz) dans le secteur central, et Czernowitz à l’extrémité sud. Après avoir frappé en premier dans les secteurs de Tarnopol et de Czernowitz le 4 juin, Brusilov prend les Autrichiens totalement par surprise le 5 juin en lançant l’armée d’A.M. Kaledin vers Lutsk : les défenses s’effondrent immédiatement et les attaquants se fraient un chemin entre deux armées autrichiennes. À mesure que l’offensive se développait, les Russes remportaient des succès similaires dans le secteur de Buchach et dans leur poussée en Bucovine, qui culmina avec la prise de Czernowitz. Le 20 juin, les forces de Brusilov avaient capturé 200 000 prisonniers.
Evert et Kouropatkine, cependant, au lieu de frapper conformément au plan convenu, trouvèrent des excuses pour tergiverser. Le chef d’état-major général russe, M.V. Alekseyev, tente donc de transférer les réserves de ce couple inerte à Brusilov, mais les communications latérales des Russes sont si mauvaises que les Allemands ont le temps de renforcer les Autrichiens avant que Brusilov ne soit assez fort pour tirer le meilleur parti de sa victoire. Bien que ses forces en Bucovine aient avancé jusqu’aux Carpates, une contre-attaque des Allemands d’Alexander von Linsingen dans le secteur de Lutsk a arrêté la progression russe au point décisif. De nouvelles poussées russes à partir du centre du front de Brusilov sont lancées en juillet, mais début septembre, l’occasion d’exploiter la victoire de l’été est perdue. Brusilov avait chassé les Autrichiens de Bucovine et d’une grande partie de la Galicie orientale et leur avait infligé d’énormes pertes en hommes et en matériel, mais ce faisant, il avait appauvri les armées russes d’environ 1 million d’hommes. (Une grande partie de ce nombre était constituée de déserteurs ou de prisonniers.) Ces pertes ont sérieusement sapé le moral et la force matérielle de la Russie. L’offensive de Brusilov a également eu des résultats indirects de grande conséquence. Premièrement, elle a contraint les Allemands à retirer au moins sept divisions du front occidental, où elles pouvaient difficilement être épargnées par les batailles de Verdun et de la Somme. Deuxièmement, elle a accéléré l’entrée malheureuse de la Roumanie dans la guerre.
Sans tenir compte du retard militaire de la Roumanie, le gouvernement roumain de Ionel Brătianu a déclaré la guerre à l’Autriche-Hongrie le 27 août 1916. En entrant en guerre, la Roumanie a succombé aux offres de territoires austro-hongrois faites par les Alliés et à la conviction que les Puissances centrales seraient trop préoccupées par d’autres fronts pour organiser une riposte sérieuse à une offensive roumaine. Quelque 12 des 23 divisions roumaines, réparties en trois colonnes, entament ainsi le 28 août une lente progression vers l’ouest à travers la Transylvanie, où il n’y a d’abord que cinq divisions austro-hongroises à leur opposer.
La riposte des Puissances centrales est plus rapide que la progression de l’invasion : L’Allemagne, la Turquie et la Bulgarie ont déclaré la guerre à la Roumanie respectivement le 28 août, le 30 août et le 1er septembre ; et Falkenhayn avait des plans déjà préparés. Bien que l’échec de son programme global pour l’année ait conduit à son remplacement par Hindenburg en tant que chef de l’état-major allemand le 29 août, la recommandation de Falkenhayn selon laquelle Mackensen devrait diriger une attaque bulgare sur le sud de la Roumanie a été approuvée ; et Falkenhayn lui-même est allé commander sur le front de Transylvanie, pour lequel cinq divisions allemandes ainsi que deux autres autrichiennes ont été trouvées disponibles en tant que renforts.
Les forces de Mackensen en provenance de Bulgarie prennent d’assaut la tête de pont de Turtucaia (Tutrakan) sur le Danube au sud-est de Bucarest le 5 septembre. Son avancée ultérieure vers l’est dans la Dobroudja a incité les Roumains à transférer leurs réserves dans ce quartier au lieu de renforcer leur entreprise transylvanienne, qui s’est alors arrêtée. Falkenhayn ne tarda pas à attaquer : d’abord à l’extrémité sud du front de 200 miles, où il repoussa une des colonnes roumaines dans le col de Roter Turm (Turnu Roşu), puis au centre, où le 9 octobre il en avait vaincu une autre à Kronstadt (Braşov). Pendant un mois, cependant, les Roumains résistent aux tentatives de Falkenhayn de les chasser par les cols de Vulcan et de Szurduk (Surduc) vers la Valachie. Mais juste avant que les neiges hivernales ne bloquent le passage, les Allemands prennent les deux cols et avancent vers le sud jusqu’à Tîrgu Jiu, où ils remportent une nouvelle victoire. Puis Mackensen, après avoir tourné vers l’ouest à partir de la Dobroudja, traverse le Danube près de Bucarest, sur lequel convergent ses armées et celles de Falkenhayn. Bucarest tombe le 6 décembre, et l’armée roumaine, paralysée, ne peut que se replier vers le nord-est en Moldavie, où elle bénéficie du soutien tardif des troupes russes. Les Puissances centrales ont accès aux champs de blé et aux puits de pétrole de la Roumanie, et les Russes ont 300 miles supplémentaires de front à défendre.