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.
