W nadziei na odwrócenie niemieckich sił od ataku pod Verdun na froncie zachodnim, Rosjanie odważnie, lecz przedwcześnie rozpoczęli ofensywę na północ i południe od jeziora Narocz (Narocz, na wschód od Wilna) 18 marca 1916 r. i kontynuowali ją do 27 marca, choć zdobyli bardzo mało terenu wielkim kosztem i tylko na krótki czas. Następnie powrócono do przygotowań do wielkiej ofensywy w lipcu. Planowano, że główne uderzenie wykona centralna grupa armii A.E. Everta, wspierana przez armię A.N. Kuropatkina w północnym sektorze frontu. Jednocześnie jednak południowo-zachodnia grupa armii A.A. Brusiłowa została upoważniona do przeprowadzenia rzekomo dywersyjnego ataku we własnych sektorach. W rezultacie atak Brusiłowa stał się zdecydowanie ważniejszą operacją ofensywy.
Zaskoczone majową ofensywą Austriaków w Asiago Włochy natychmiast zwróciły się do Rosjan z prośbą o podjęcie działań mających na celu odciągnięcie rezerw przeciwnika od frontów włoskich, na co Rosjanie odpowiedzieli ponownym przyspieszeniem harmonogramu działań. Brusiłow zobowiązał się do rozpoczęcia ataku 4 czerwca, przy założeniu, że atak Everta rozpocznie się 10 dni później.
W ten sposób rozpoczęła się ofensywa na froncie wschodnim, która miała być ostatnim naprawdę skutecznym wysiłkiem militarnym imperialnej Rosji. Popularnie znana jako ofensywa Brusiłowa, odniosła tak zdumiewający sukces początkowy, że ożywiła marzenia aliantów o nieodpartym rosyjskim „walcu parowym”. Zamiast tego, jej ostatecznym osiągnięciem było zabrzmienie kolana śmierci rosyjskiej monarchii. Cztery armie Brusiłowa zostały rozmieszczone wzdłuż bardzo szerokiego frontu, z Łuckiem na północnym krańcu, Tarnopolem i Buczaczem w sektorze centralnym oraz Czernowitz na południowym krańcu. Uderzywszy najpierw 4 czerwca w sektorach Tarnopola i Czernowitz, 5 czerwca Brusiłow całkowicie zaskoczył Austriaków, ruszając z armią A.M. Kaledina na Łuck: obrona załamała się natychmiast, a napastnicy przepchnęli się między dwiema austriackimi armiami. W miarę rozwoju ofensywy Rosjanie odnosili sukcesy w sektorze buczackim oraz w natarciu na Bukowinę, które zakończyło się zdobyciem Czernowic. Do 20 czerwca siły Brusiłowa wzięły do niewoli 200 000 jeńców.
Evert i Kuropatkin, zamiast uderzyć zgodnie z ustalonym planem, znaleźli jednak preteksty do zwlekania. Rosyjski szef sztabu generalnego, M.W. Aleksiejew, próbował więc przerzucić rezerwy tej bezwładnej pary do Brusiłowa, ale komunikacja boczna Rosjan była tak słaba, że Niemcy zdążyli wzmocnić Austriaków, zanim Brusiłow był wystarczająco silny, by w pełni wykorzystać swoje zwycięstwo. Chociaż jego siły w Bukowinie posunęły się aż do Karpat, kontratak Niemców Alexandra von Linsingena w sektorze Łucka powstrzymał rosyjskie postępy w decydującym punkcie. W lipcu rozpoczęto dalsze rosyjskie natarcia z centrum frontu Brusiłowa, ale na początku września stracono możliwość wykorzystania letniego zwycięstwa. Brusiłow wyparł Austriaków z Bukowiny i znacznej części Galicji Wschodniej i zadał im ogromne straty w ludziach i sprzęcie, ale uszczuplił przy tym armie rosyjskie o około 1 000 000 ludzi. (Dużą część tej liczby stanowili dezerterzy i jeńcy.) Straty te poważnie osłabiły zarówno morale, jak i siłę materialną Rosji. Ofensywa Brusiłowa miała również pośrednie skutki o ogromnym znaczeniu. Po pierwsze, zmusiła Niemców do wycofania co najmniej siedmiu dywizji z frontu zachodniego, gdzie nie można było ich oszczędzić przed bitwami pod Verdun i Sommą. Po drugie, przyspieszyła niefortunne przystąpienie Rumunii do wojny.
Nie zważając na militarne zacofanie Rumunii, rząd Ionela Brătianu 27 sierpnia 1916 r. wypowiedział wojnę Austro-Węgrom. Przystępując do wojny, Rumunia uległa ofertom aliantów dotyczącym terytoriów austro-węgierskich i przekonaniu, że mocarstwa centralne będą zbyt zajęte innymi frontami, by móc przeprowadzić poważną ripostę na rumuńską ofensywę. Około 12 z 23 dywizji rumuńskich, w trzech kolumnach, rozpoczęło 28 sierpnia powolne posuwanie się na zachód przez Siedmiogród, gdzie początkowo mogło im się przeciwstawić tylko pięć dywizji austro-węgierskich.
Odwet mocarstw centralnych był szybszy niż postępy inwazji: Niemcy, Turcja i Bułgaria wypowiedziały wojnę Rumunii odpowiednio 28 sierpnia, 30 sierpnia i 1 września, a Falkenhayn miał już przygotowane plany. Mimo że nieudana realizacja jego programu na ten rok spowodowała, że 29 sierpnia został zastąpiony przez Hindenburga na stanowisku szefa niemieckiego sztabu generalnego, rekomendacja Falkenhayna, by Mackensen poprowadził bułgarski atak na południową Rumunię, została zatwierdzona, a sam Falkenhayn objął dowództwo na froncie siedmiogrodzkim, na który przeznaczono pięć niemieckich i dwie austriackie dywizje jako posiłki.
W dniu 5 września siły Mackensena z Bułgarii przypuściły szturm na przyczółek Turtucaia (Tutrakan) na Dunaju na południowy wschód od Bukaresztu. Jego późniejsze posunięcie się na wschód w kierunku Dobrudży spowodowało, że Rumuni zamiast wzmocnić swoje transylwańskie przedsięwzięcie, przerzucili swoje rezerwy do tego rejonu, co spowodowało wstrzymanie działań. Falkenhayn wkrótce zaatakował: najpierw na południowym krańcu 200-milowego frontu, gdzie odrzucił jedną z rumuńskich kolumn do przełęczy Roter Turm (Turnu Roşu), a następnie w centrum, gdzie do 9 października pokonał kolejną pod Kronsztadem (Braszowem). Przez miesiąc jednak Rumuni opierali się próbom Falkenhayna, który próbował ich wyprzeć przez przełęcze Vulcan i Szurduk (Surduc) do Wołoszczyzny. Jednak tuż przed tym jak zimowe śniegi zablokowały drogę, Niemcy zajęli obie przełęcze i posuwali się na południe do Tîrgu Jiu, gdzie odnieśli kolejne zwycięstwo. Następnie Mackensen, skręciwszy z Dobrudży na zachód, przekroczył Dunaj w pobliżu Bukaresztu, na którym zbiegły się armie jego i Falkenhayna. Bukareszt padł 6 grudnia, a armia rumuńska, okaleczona, mogła jedynie wycofać się na północny wschód, do Mołdawii, gdzie otrzymała spóźnione wsparcie wojsk rosyjskich. Mocarstwa Centralne miały dostęp do rumuńskich pól pszenicy i szybów naftowych, a Rosjanie mieli do obrony kolejne 300 mil frontu.