5 октября без оперативной паузы русские войска перешли в наступление, и в течение двух дней им удалось сломить противника и вынудить его отступать на юг. Варшавско-Ивангородская операция стала крупнейшей стратегической операцией Первой мировой войны. В ходе ее проведения германская армия потеряла до 50 процентов задействованных в ней сил.
Стремясь взять реванш, немцы, собрав все силы, перешли в наступление в районе Лодзи. Им удалось расчленить надвое русскую группировку, но посланный верховным главнокомандующим на помощь сводный отряд – два армейских корпуса и две кавалерийские дивизии – сумел окружить неприятеля и снова одержать победу. Здесь немцы потеряли свыше 40 тысяч убитыми и пленными. Лишь ошибки в управлении русскими войсками, действовавшими разобщенно отдельными отрядами, позволили части сил германцев пробиться на север и выйти из окружения. Лодзинская операция была последней в кампании 1914 года.
С каждой новой операцией великий князь приобретал все больше опыта. По утверждению его окружения, «популярность его росла с каждым днем» и «его имя стало достоянием не только армии, но и всего русского общества». В целом можно констатировать, что под руководством великого князя кампания 1914 года на Восточном фронте была выиграна русскими. Кроме ордена Св. Георгия 3-й степени Николай Николаевич был награжден за кампанию 1914 года и иностранными знаками отличия – Большим крестом английского ордена Бани и французской медалью «За военные отличия».
Приближался 1915 год. Становилось очевидным, что война затягивалась, так как ни одной из сторон не удалось добиться в вооруженной борьбе решающих результатов. В планах кампании 1915 года, разработанных штабом главнокомандующего, намечалось два направления нанесения удара. Основной удар был направлен на Берлин через Восточную Пруссию, другой, второстепенный, удар – через Карпаты на Венгрию. Разработка планов русского верховного командования велась с учетом планов союзников, и сроки наступательной операции устанавливались к 23–25 января.
При перегруппировках войск не было соблюдено никаких мер скрытности, что позволило противнику точно узнать о намерениях командования русской армии и нанести упреждающие удары. В планы австро-германского командования входило нанесение основного удара на восточном направлении, а на западе в 1915 году планировалась активная оборона. Командование противника не оставляло надежд на победоносное окончание войны.
В начале 1915 года войска Северо-Западного фронта провели несколько наступательных операций, которые не достигли желаемых результатов. На Юго-Западном фронте год начался тоже с наступательных операций, но преодолеть оборону противника в Карпатах и прорваться на Венгерскую равнину русские войска не смогли. Единственной удачей стала капитуляция австро-венгерской крепости Перемышль. Крепость сдалась 9 марта и весь ее 120-тысячный гарнизон (в том числе 9 генералов и более 2, 5 тысяч офицеров) был полностью взят в плен. Это стало последней победой русских войск в этой кампании.
На помощь австрийцам поспешила германская армия, и вскоре Перемышль снова был оставлен русскими войсками. Немцы продолжали наступать, и уже летом 1915 года русские были вынуждены оставить сначала Львов, а затем и Галицию. Русские войска несли огромные потери. Не помогли даже введенные в бой резервы.
Неудачи в кампании 1915 года усилили интриги двора против Николая Николаевича. Пошли разговоры о том, что в обществе его воспринимают как второго императора, величая Николаем III. Дело дошло даже до обвинений великого князя в государственной измене. Тогда император Николай II принимает решение лично возглавить войска. Великого князя он направляет на Кавказ, поручив военному министру Поливанову сообщить об этом Николаю Николаевичу.
Вечером 9 августа Поливанов прибыл в Могилев, куда перемещалась Ставка из Барановичей. Выслушав военного министра, Николай Николаевич поинтересовался, может ли он взять с собой на Кавказ Янушкевича и, получив утвердительный ответ, внешне совсем успокоился. Затем были обсуждены подробности передачи поста верховного главнокомандующего.
22 августа в Ставку прибыл император, и на следующий день бывший главнокомандующий великий князь Николай Николаевич, подписав акт о сдаче командования, покинул Могилев.
Кавказский фронт, куда Николай Николаевич прибыл в сентябре 1915 года, представлял собой отдельный театр военных действий, где велась напряженная вооруженная борьба между Россией и Турцией. Здесь Николаю Николаевичу пришлось заниматься не только военными, но и дипломатическими вопросами. Успехи русских войск в этом регионе заставили очень беспокоиться правящие круги Англии, которые стремились утвердить единоличное господство в нефтеносных районах. Без согласования с русским командованием они в ноябре 1915 года высадили десант в Персидском заливе и начали наступление на Багдад. Эта операция провалилась – турки сумели окружить англичан и предложили им капитулировать. Оказавшись в трудном положении, английское командование «вспомнило» о союзниках и обратилось за помощью к главнокомандующему русскими войсками на Кавказе – великому князю Николаю Николаевичу. Тот дал согласие, но выдвинул определенные условия, которые английское командование не приняло. В свою очередь, Николай Николаевич отказался от активных наступательных действий, несмотря на то что этого требовала от него Ставка. В апреле 1916 года, не получив помощи, английские окруженные войска (около 10 тысяч человек) были вынуждены капитулировать – престижу Англии в Азии был нанесен серьезный ущерб.