Но на этом его боевой опыт долго не пополнялся. В 1883 году Брусилов окончил Офицерскую кавалерийскую школу и был оставлен в ней вначале в качестве преподавателя верховой езды, а затем – начальника основного отдела (по-современному – факультета) эскадронных и сотенных командиров. В новой должности он также хорошо себя зарекомендовал и был замечен главным инспектором кавалерии великим князем Николаем Николаевичем. В 1902 году Алексей Алексеевич возглавил Офицерскую кавалерийскую школу. И только в апреле 1906 года А. А. Брусилов был назначен командиром гвардейской кавалерийской дивизии, в 1908 году – командиром армейского корпуса.
Правда, в начале Первой мировой войны А. А. Брусилов принял командование над 8-й армией Юго-Западного фронта, которая отличилась в Галицийской битве. После этого в военных кругах России укрепилось мнение о Брусилове как о талантливом военачальнике, способном правильно оценить обстановку, разгадать замысел врага и упреждать его действия. За успешное руководство войсками он был награжден орденом Св. Георгия 4-й и 3-й степени.
Затем были другие бои, и не только успешные. Меньше чем за полтора года войны Брусилов овладел навыками командования армией в различных видах боевой деятельности. Разработанные и проведенные им наступательные и оборонительные операции были чужды шаблону, свойственному многим высшим военачальникам русской армии того периода. Он стремился к инициативным, решительным действиям, навязывая свою волю противнику, используя все возможное для достижения хотя бы частного успеха. Войска в свою очередь старались добросовестно выполнять поставленные задачи, веря в полководческий талант своего командующего.
17 марта 1916 года генерал Н. И. Иванов был отстранен от должности командующего Юго-Западным фронтом, как не справившийся с обязанностями, а вместо него на эту должность был назначен А. А. Брусилов. Именно в этой должности при подготовке и в ходе наступления Юго-Западного фронта (май – июль 1916 года) наиболее полно раскрылся его полководческий талант. Позже это наступление советские историки называли «Брусиловский прорыв». Операция продолжалась более ста дней. Итоги ее поистине огромны. Австро-венгерская армия в Галиции и Буковине потерпела полное поражение. Ее потери составили примерно 1,5 миллиона человек. Только пленными русские войска взяли 8924 офицера и 408 тысяч солдат. Были захвачены 581 орудие и 1795 пулеметов. Потери же самих русских войск составили 500 тысяч человек, то есть в три раза меньше, чем у противника.
Чтобы ликвидировать прорыв, военное командование держав Центрального блока вынуждено было снять с Западного и Итальянского фронтов 34 пехотные и кавалерийские дивизии. Это облегчило положение французов под Верденом и итальянцев в Третино. По этому поводу английский историк Лиддел Гард однажды высказался: «Россия пожертвовала собой ради своих союзников, и несправедливо забывать, что союзники за это являются неоплатными должниками».
Непосредственным результатом операции Юго-Западного фронта стал отказ Румынии от нейтралитета и присоединение ее к Антанте. «Брусиловское наступление, – отмечали германские военные историки, – оказалось самым тяжелым потрясением, которое выпадало до того на долю австро-венгерского войска. Скованное почти на всем фронте русским наступлением, оно очутилось теперь лицом к лицу с новым противником – Румынией, который, казалось, был готов, наступая через Трансильванию и далее в сердце Венгрии, нанести империи Габсбургов смертельный удар».
Бесспорно, Брусиловский прорыв стал ярким событием в истории Первой мировой войны. «По сравнению с надеждами, возлагавшимися на этот фронт весной 1916 года, его наступление превзошло все ожидания. Он выполнил данную ему задачу – спасти Италию от разгрома и выхода ее из войны, а кроме того, облегчил положение французов и англичан на их фронте, заставил Румынию стать на нашу сторону и расстроил все планы и предположения австро-германцев на этот год». В то же время Алексей Алексеевич считал, что возможности русских войск до конца этим наступлением исчерпаны не были, и видел причины незавершенности операции: «Если бы у нас был настоящий верховный вождь и все главнокомандующие действовали по его указу, то мои армии, не встречая достаточно сильного противодействия, настолько выдвинулись бы вперед, и стратегическое положение врага было бы столь тяжелое, что даже без боя ему пришлось бы отходить к своим границам, и ход войны принял бы совершенно другой оборот, а ее конец значительно бы ускорился».