Во время зимней кампании 1915 года Брусилов руководил 8-й армией в ходе Карпатской операции. В условиях зимней стужи армия Брусилова вела упорные встречные бои с противником. Она обеспечила сохранение блокады стратегически важной крепости Перемышль. Посетив Перемышль, Николай II пожаловал Брусилову звание генерал-адъютанта.
Австрийцы, и особенно венгры, хорошо знакомые с окружающей местностью, сопротивлялись как никогда упорно. Русские войска несли ощутимые потери, которые увеличивались в связи с отсутствием зимнего обмундирования в суровых горных условиях. Брусилов распорядился закупать теплые вещи и посылать их в свои войска. За 10 дней его войска отбросили противника за Карпаты и начали помогать 3-й армии, ликвидируя угрозу ей со стороны Кракова.
В середине лета 1915 года в результате Горлицкого прорыва немецких войск русские армии были вынуждены оставить Галицию. До конца года войска вели позиционные бои, не приносившие ни одной из сторон успеха. Лишь к декабрю сражения на Юго-Западном фронте затихли, а в Ставке стали разрабатывать планы будущей кампании.
Поражение в кампании 1915 года привело к реорганизации во всем управлении армии. Великий князь Николай Николаевич был отстранен от обязанностей верховного главнокомандующего и назначен наместником на Кавказ. Император решил сам возглавить свою армию. Потом началась реорганизация фронтов. Алексей Алексеевич пользовался в армии заслуженным уважением как боевой, опытный и инициативный командующий армии. В войсках его называли «генерал наступления». Поэтому, когда встал вопрос о замене командующего Юго-Западным фронтом, бездеятельного и осторожного генерала Иванова, была предложена кандидатура Брусилова. В марте 1916 года он приступил к новым обязанностям.
В армию поступило пополнение, и теперь в каждой дивизии насчитывалось 18–20 тысяч человек. В достаточном количестве поступали также патроны и снаряды. При встрече с Николаем II Брусилов доложил о том, что войска фронта достаточно хорошо отдохнули и теперь готовы перейти в наступление.
По просьбе союзников русские войска предприняли Нарочскую операцию, не давшую особых военных результатов. Но это наступление вынудило немцев перебросить на восточный фронт дивизии, так необходимые им под Верденом, и временно прекратить наступление на Западном фронте.
На военном совещании в Ставке 14 апреля большая часть командующих объявила о невозможности перехода в наступление из-за недостатка войск и боеприпасов. Лишь Брусилов высказывался за наступление войсками всех фронтов, что, по его мнению, должно было заставить противника распылить свои силы и лишить их свободы маневра. После выступления Брусилова и другие командующие фронтами также сообщили о своей готовности наступать, но объявили при этом, что не ручаются за успех. Поскольку союзники не могли выступить ранее начала июня, Ставка решила отложить наступление до конца мая.
В плане общего наступления главный удар предполагалось нанести Западным фронтом. Но успеха, да еще какого, добился лишь Юго-Западный фронт. Этот успех стал вершиной полководческого таланта Брусилова.
На военном совете штаба фронта Брусилов изложил собравшимся генералам свой замысел: решающий удар наносят войска 8-й армии в направлении на Луцк. В случае неудачи прорыва на участке 8-й армии, Брусилов предложил перенести главный удар на участок 11-й армии либо какой-нибудь иной, куда будут направлены все имеющиеся резервы. В 8-ю армию уже были переданы армейский корпус, кавалерийская дивизия и части тяжелой артиллерии.
Брусилов считал необходимым закончить подготовку наступления к 28 апреля и приказывал командующим армиям представить свои соображения по операции к этому числу. В то же время он предоставлял им полную инициативу действий, но требовал, чтобы они наступали по всему фронту армии. Особая роль отводилась взаимодействию пехоты и артиллерии. Орудия предлагалось разместить в максимальной близости от передовой полосы и подчинить их управление командирам пехотных атак. В первый период атаки легкая артиллерия должна была разрушить проволочные заграждения противника, состоящие из трех полос, или проделать в них проходы. Потом в дело включалась и тяжелая артиллерия, которая разрушала первую и вторую линии обороны прежде всего пулеметные гнезда. После перехода пехоты в атаку тяжелая и мортирная артиллерии наносили огонь по скоплению резервов противника и по третьей линии его обороны, если таковая имеется. Брусилов предвидел и действия артиллерии в случае начала контратак противника: одна часть артиллерии образовывала для пехоты огневую завесу, другая начинала подавление артиллерийских батарей противника.