Od początku I wojny światowej dowodził skutecznie 8 Armią w czasie walk w Galicji. W marcu 1916 roku został dowódcą Frontu Południowo-Zachodniego. Zaplanował i przeprowadził w lipcu 1916 roku udaną ofensywę na Wołyniu (tzw. ofensywa Brusiłowa) w wyniku której wojska rosyjskie wzięły do niewoli około 250 000 jeńców. Do końca roku jeszcze dwukrotnie podejmował działania zaczepne, jednak nie odnosiły one tak znaczącego sukcesu. W czasie rewolucji lutowej wywierał nacisk na cara Mikołaja II i poparł jego abdykację. Od 4 czerwca do 1 sierpnia 1917 roku najwyższy naczelny dowódca armii rosyjskiej. Pod naciskiem Aleksandra Kiereńskiego podpisał rozkaz o wprowadzeniu kary śmierci na froncie za działalność rewolucyjną. W lipcu podjął kolejną ofensywę, zwaną też ofensywą Kiereńskiego, która ze względu na niskie morale wojsk i słabe wyposażenie szybko się załamała. Po niepowodzeniu operacji 19 lipca 1917 roku został usunięty ze stanowiska i mianowanym doradcą specjalnym Rządu Tymczasowego. Po rewolucji październikowej przeszedł w stan spoczynku, odrzucił też prośbę sił białogwardzistów o przyłączeniu się do kontrrewolucji jako dowódca wojsk białych.