В то время как русская армия готовилась к наступательным действиям, превосходящие силы австрийцев внезапно атаковали соединения итальянской армии в районе Трентино. Понеся крупные потери, итальянцы стали отступать. Вскоре итальянское командование обратилось в русскую Ставку с настойчивыми просьбами о помощи. Поэтому 18 мая в войска поступила директива, в которой начало наступления войск Юго-Западного фронта переносилось на более ранний срок, а именно на 22 мая (4 июня). Наступление войск Западного фронта должно было начаться неделей позже. Это очень огорчило Брусилова, связывавшего успех операции с совместными действиями фронтов. Брусилов просил Алексеева назначить для обоих фронтов единую дату, но его просьбы не были услышаны.
Мощная артиллерийская канонада на рассвете 22 мая обозначила начало операции на Юго-Западном фронте. Огонь был весьма эффективен, поскольку велся не по площадям, а по целям. Артиллерийская подготовка продолжалась почти сутки, а на некоторых участках – до 48 часов, после чего соединения перешли в атаку. Первыми (22 мая) пошли вперед войска 9-й армии. Волна за волной сквозь разметанные снарядами проволочные заграждения катились цепи русской пехоты. 9-я армия заняла передовую укрепленную полосу противника и захватила в плен более 11 тысяч солдат и офицеров. Хорошо было организовано взаимодействие артиллерии с пехотой. Впервые были выделены батареи сопровождения пехоты в бою и применено последовательное сосредоточение огня для поддержки атаки. Многократные ложные переносы огня обеспечили внезапность и успех атаки пехоты. Пехотные части и подразделения, составлявшие боевые участки, строились в форме волн – цепей – и вели атаку перекатами. Первая волна овладевала первой и второй траншеями, а последующие волны – третьей траншеей и артиллерийскими позициями.
23 мая перешла в наступление 8-я армия. Корпуса ее ударной группировки к исходу этого дня прорвали первую полосу австрийской обороны и стали преследовать врага, поспешно отходившего на Луцк. 25 мая этот город был взят русскими войсками. На левом крыле фронта соединения 7-й армии также прорвали оборону противника. Первые же результаты превзошли все ожидания. За три дня войска Юго-Западного фронта прорвали оборону противника в полосе 8—10 км и продвинулись в глубину на 25–35 км. Уже к полудню 24 мая в плен было взято 900 офицеров, более 40 тысяч солдат, захвачено 77 орудий, 134 пулемета и 49 бомбометов.
С подходом из резерва Ставки свежих корпусов Брусилов выпустил директиву о наращивании силы удара. Главная роль по-прежнему отводилась 8-й армии, которая должна была наступать на Ковель. 11-я армия продвигалась на Злочев, 7-я – на Станислав[121], 9-я – на Коломыю. Наступление на Ковель отвечало не только интересам фронта, но и стратегическим целям кампании вообще. Оно должно было способствовать объединению усилий Юго-Западного и Западного фронтов и привести к разгрому значительных сил противника. Однако этому замыслу не суждено было сбыться. Ссылаясь на дождливую погоду и незаконченность сосредоточения, Эверт отсрочил наступление, и Ставка одобрила это решение. Это использовал противник. Немцы перебросили на Восточный фронт несколько дивизий, и «ковельская дыра… стала постепенно заполняться свежими германскими войсками».
Брусилову пришлось приказать прекратить общее наступление на своем фронте и перейти к прочной обороне захваченных рубежей. К 12 (25) июня на Юго-Западном фронте наступило затишье. Брусилов сокрушенно вспоминал о том, как его подвели «соседи» и верховное командование: «Мне потихоньку посылали подкрепления с бездействующих фронтов, но и противник не зевал, и так как он пользовался возможностью более быстрой перестройки войск, то количество их возрастало со значительно большей прогрессией, нежели у меня, и численностью своей, невзирая на громадные потери пленными, убитыми и ранеными, противник стал значительно превышать силы моего фронта».
Однако вскоре Ставка дала приказ Брусилову продолжить наступление. На Юго-Западном фронте шла энергичная подготовка к возобновлению атаки. В то же время командующие Куропаткин и Эверт беспрерывно жаловались на трудности. Ставка, убедившись в тщетности своих надежд на наступление Западного фронта, наконец решила перенести главные усилия на Юго-Западный фронт. Брусилов приказал начать общее наступление 21 июня (3 июля).
После мощной артиллерийской подготовки войска прорвали оборону противника и через несколько дней вышли на реку Стоход. Новое наступление русских крайне осложнило положение австрийских войск. Однако попытки форсировать Стоход на плечах отступающего противника успеха не принесли. Австро-германцы сумели заблаговременно разрушить переправы и своими контратаками мешали русским переправиться на западный берег реки.