Став начальником штаба Верховного главнокомандующего, Алексеев, по сути, сосредоточил в своих руках все реальное управление русскими армиями. Император, как правило, принимал лишь общее участие в разработке операций, влияя лишь на кадровую политику. Начальник штаба обычно ограничивался общими докладами, не всегда посвящая венценосца во все детали. Как считал генерал Деникин: «Такая комбинация, когда военные операции задумываются, разрабатываются и проводятся признанным стратегом, а «повеления» исходят от верховной и притом самодержавной власти, могла быть удачной». Алексеев также стремился наладить более тесные отношения с тылом, активно сотрудничая с представителями общественности (А. И. Гучковым и князем Н. Н. Львовым), при этом стараясь оставаться максимально в стороне от политических интриг и сохраняя доверительные отношения с императором.
С приходом Алексеева изменилось и отношение к союзникам. Как свидетельствовал генерал А. И. Спиридович: «Отношение к союзникам Алексеева было вообще более серьезно и более патриотично, чем у старой Ставки. При великом князе Николае Николаевиче в Ставке союзников «обожали», перед ними распростирались по земле, для них жертвовали своими русскими интересами. И это было все. При Алексееве на союзников стали смотреть деловитее. От союзников, кроме прекрасных слов, стали требовать взаимной и своевременной поддержки, фактической, на деле».
На военном совете в Ставке Верховного главнокомандующего. 1 апреля 1916 г.
План на 1916 г. Ставка вырабатывала с учетом действий союзников. Основное наступление решено было вести войсками Западного фронта, при этом остальные фронты должны были оказать ему максимальное содействие. Юго-Западному фронту А. А. Брусилова предписывалось нанести удар на Луцк. Таким образом, изначальная идея Брусиловского прорыва была выдвинута Алексеевым. Наступление началось 4 июня, и его успех превзошел все ожидания.
Алексеев, который никогда не следовал шаблону, быстро начал искать силы для пополнения войск Юго-Западного фронта с целью развития успеха. Однако на помощь австрийцам пришли германцы, а наступательный порыв русских выдохся. Начальник штаба Ставки тогда благосклонно относился к выступлению Румынии на стороне Антанты для поддержки русских армий, но румынские войска сразу показали свою недееспособность и потерпели серьезное поражение.
К октябрю 1916 г. фронты вновь перешли к позиционной борьбе. В это же время сказались гигантские физические перегрузки, которые до этого выдерживал Алексеев. Он серьезно заболел и временно сдал командование. Но, даже находясь на лечении, он пытался оставаться в курсе событий и принимал участие в разработке плана на 1917 год.
Вернулся в Ставку Алексеев лишь в середине февраля 1917 г. К тому времени уже полным ходом нарастал внутриполитический кризис. Ряд историков ставят в вину генералу его связи с думскими заговорщиками и содействие в свержении монархии. Документальных данных о его участии в заговоре нет. Следует также иметь в виду, что для Алексеева, монархиста по своим взглядам, превыше всего было сохранение боеспособности русской армии, а потому он все больше склонялся к мысли о необходимости создания ответственного министерства и конституционной монархии. Когда же император выехал из Ставки, чего Алексеев советовал не делать, то последний потерял возможность влиять на решения венценосца.
Прощание с конвоем. Художник П. Рыженко. 2004 г.
Приняв свержение монархии как факт, в марте Алексеев стал Верховным главнокомандующим. Генерал надеялся, что новые правители России не затронут воинскую дисциплину. Один из первых его приказов предписывал отлавливать и судить всех левых агитаторов, старающихся проникнуть на фронт. Однако политика Временного правительства, которое решило демократизировать армию (способствуя ее развалу), резко расходилась с устремлениями Алексеева. Испытывал он и давление со стороны Петроградского совета, для которого являлся реакционером. Выход Алексеев нашел в сплочении офицеров, остававшихся верными идеям патриотизма и служения Отечеству, начав активно заниматься созданием широкой общественно-политической сети, способной выступить в будущем стабилизирующей силой. В мае он фактически создал Союз офицеров армии и флота, однако уже скоро последовала отставка.