Наступление Юго-Западного фронта в направлении Луцка началось 4 июня. Не имея численного превосходства и уступая противнику в артиллерии, русские войска смогли прорвать фронт и продвинуться за 11 дней на 70–75 км. Таких темпов наступления первая мировая война еще не знала. Русские войска использовали эффект тактической внезапности, тщательное инженерное обеспечение наступательных действий. Для преодоления вражеских укреплений были специально подготовлены штурмовые команды. Новаторская стратегия Брусилова полностью оправдала себя. Однако сил для развития успеха у его армии, первоначально предназначенной лишь для вспомогательных действий, не было. Уже во второй половине июня войскам Брусилова пришлось отражать контратаки австро-венгерской армии. Повторное наступление в июле не принесло успеха. Все это время по вине командования войска Западного и Северо-Западного фронтов так и не приступили к активным действиям. Бои на юге шли до начала сентября с огромными потерями для обеих сторон (у русских – до полумиллиона человек, у австро-венгерской армии – до полутора миллионов). Брусиловский прорыв, как назвали эту операцию современники, не привел к решающему стратегическому успеху, но имел очень важное значение. Часть германских войск была оттянута с Западного фронта в самый ответственный период битвы за Верден. Военной мощи Австро-Венгрии был нанесен сокрушающий удар. Это фактически спасло от разгрома итальянскую армию и подтолкнуло к вступлению в войну на стороне Антанты Румынию.
Военные действия на итальянском, балканском, азиатском и кавказском фронтах в 1916 г. велись разрозненно и менее активно. Итальянская армия оказалась в тяжелом положении после успешного австро-венгерского наступления в Трентино в мае – июне. Лишь брусиловский прорыв русской армии позволил итальянцам перейти в контрнаступление и восстановить прежнее положение. Однако новые попытки внести перелом в затянувшееся противостояние в районе Изонцо не увенчались успехом, хотя атаки итальянских частей здесь не прекращались до ноября. Не принесло Антанте ожидаемых выгод и вступление в войну в конце августа Румынии. Малочисленная и плохо подготовленная румынская армия предприняла самостоятельное наступление в направлении Трансильвании, однако была вынуждена вскоре перейти к обороне. В ноябре австро-венгерским и немецким частям даже удалось переправиться через Дунай и захватить Будапешт. Лишь к началу 1917 г. румынский фронт стабилизировался. На Салоникском фронте, где была создана 300-тысячная группировка английских, французских, сербских и русских войск, происходили бои местного значения. Таким образом, Антанте не удалось организовать скоординированные активные действия на южных участках европейского театра военных действий, но австро-венгерская армия, сражавшаяся против нескольких противников, находилась в чрезвычайно тяжелом положении. Схожая ситуация складывалась и вокруг Турции. Разрозненные, но достаточно успешные действия русской и английской армий на Кавказском и Азиатском фронтах (Эрзерумская операция в январе – марте и Трапезундская операция в апреле 1916 г.; разгром турок в Египте весной 1916 г. и планомерное наступление в Месопотамии, завершившееся уже в марте 1917 г. взятием Багдада) поставили Турецкую империю на грань военного краха.
Война на море ознаменовалась в кампании 1916 г. единственным за всю войну крупным морским сражением в Северном море. Ультиматум американского правительства вынудил Германию отказаться в апреле 1916 г. от тактики неограниченной подводной войны. В этих условиях единственным способом прорвать блокаду в Северном море было открытое столкновение с английским флотом. Главнокомандующий германским флотом Открытого моря адмирал Шеер рассчитывал набегами крейсеров на побережье британских островов выманить отдельные соединения английского флота в море и разгромить их превосходящими силами. Однако реализовать этот план не удалось. 31 мая у Ютландского полуострова в открытом бою столкнулись основные силы обоих флотов – 250 кораблей с обеих сторон. Соотношение сил было в пользу англичан: 150 кораблей против 99 немецких (в том числе 28 тяжелых кораблей типа «Дредноут» против 16 немецких, 9 линейных крейсеров против 5). Использовать потенциал сильного немецкого подводного флота практически не удалось. Сражение, ход которого свелся к сложному маневрированию и артиллерийской перестрелке линейных кораблей, не принесло решающего перевеса ни одной из сторон. Английский флот потерял 3 линейных крейсера и 12 других судов, а немецкий – 1 линейный крейсер и 9 кораблей других классов. Ютландское сражение, как и битвы у Вердена и на Сомме, показало иллюзорность попыток внести перелом в ход войны одним «генеральным сражением». Решающую роль на завершающей фазе войны начинало играть соотношение общего военно-экономического потенциала коалиций.