13 августа правое крыло 5-й русской армии столкнулось с наступавшим левым 4-й австро-венгерской армии, и произошедшее между ними сражение получило название Томашевского. В тяжелых условиях превосходства противника и в позиционном, и в количественном отношении, ведя бои в полуокружении, корпуса армии П. А. Плеве нанесли войскам австрийцев ряд поражений (уничтожение 15-й пехотной дивизии у Лащова; разгром 39-й гонведской дивизии у Тарнаватки и др.) и, маневрируя, вышли из-под удара противника.
Известный военный историк русского зарубежья генерал-лейтенант Н. Н. Головин впоследствии отмечал: «Такой отход «отнюдь не являлся вынужденным отступлением; это был отрыв от противника, возвращавший сохранившей свою полную боеспособность армии свободу маневра».
Он называл марш-маневр войск Плеве после Томашевского сражения одним из самых трудных и в то же время самых искусных армейских маневров во всей истории мировой войны. В тяжелой оперативной обстановке Плеве требовал активности от своих корпусных командиров. Сознавая тяжелое положение армии, он докладывал главнокомандующему армиями Юго-Западного фронта Н. И. Иванову: «Будем бороться до последней крайности»
На втором этапе Галицийской битвы (Городокское сражение) 5-я армия двумя своими частями выполняла разные задачи: правой (25-й и 19-й армейские корпуса) содействовала 4-й армии, левой (5-й, 17-й и кавалерийский корпуса) — 3-й.
Выход сил П. А. Плеве на коммуникационные пути противника привел к тому, что австрийское командование сочло за благо прекратить бои и отойти за реку Сан. 27 августа русские войска вошли в Томашев (захватив свыше 1 тыс. пленных), а на следующий день 5-й армейский корпус армии Плеве нанес поражение группе эрцгерцога Иосифа Фердинанда (прикрывающей тыл 4-й армии).
Ставя задачу командирам, Павел Адамович подчеркивал: «Самым неотступным и решительным образом преследовать противника, особенно гнать его конницей, что возможно отрезывать и окружать».
Генерал пехоты эрцгерцог Иосиф Фердинанд, командующий армейской группой в Галицийской битве
Итогом операций русских войск 21–30 августа стал разгром 1-й австро-венгерской армии и группы эрцгерцога Иосифа Фердинанда, отступление под угрозой окружения 4-й, 3-й и 2-й австро-венгерских армий, в чем огромная заслуга П. А. Плеве. Маневр двумя группами корпусов разорвал связность австрийского построения и сорвал замыслы противника поддержать правый фланг 1-й австро-венгерской армии. Как впоследствии отмечалось в Стратегическом очерке войны 1914–1918 гг.: «Искусные и настойчивые действия 5-й армии в тыл австрийцам, действовавшим против 4-й и 3-й армий… привели к тому, что 27 августа противник дрогнул перед 4-й и 9-й армиями, а 30 августа — и перед 3-й армией».
В тяжелейшей, почти безнадежной для его армии обстановке начала Галицийской битвы (как в развертывании, так и численности войск) Плеве не растерялся, сумев переломить ход событий в свою пользу. Волевой и энергичный генерал не снимал руку с «пульса» боев, решительно реагировал на стремительно менявшуюся обстановку: «Ген. Яковлеву (командир 17-го армейского корпуса. — Прим. авт.)… предписываю Вам во что бы то ни стало отбросить австрийцев для завершения удачной операции. Выжидательные действия неуместны, требуются решительные. Доносите чаще. Ген. Плеве». Другой яркий пример: «…держаться на позиции за рекой Войславкой, непременно охранять шоссе Красностав — Холм… Удержать эту позицию до подхода прочих сил армии… Ген. Горбатовскому и Литвинову приказано решительным ударом разбить противника в окрестностях Томашова… Ген. Плеве». Требование к корпусным командирам действовать во фланг и тыл противника содержат и многие другие документы за его подписью периода Галицийской битвы.
В условиях начавшегося окружения его армии Павел Адамович не выпустил управление из рук, упорно борясь с противником за инициативу, нашел применение коннице: образовав сводный кавалерийский корпус (один из первых в русской армии в Первую мировую войну), нанес им удар в тыл 4-й австрийской армии, использовал 5-ю Донскую казачью дивизию и 2-ю бригаду 1-й Донской казачьей дивизии для обеспечения благополучного отхода войск после Томашевского сражения. Именно кавалерийская разведка 5-й армии вскрыла изменение плана сосредоточения австрийских войск. Ряд важнейших решений Плеве осуществил, отталкиваясь от этой информации.