21 сентября Брусилов отдал приказ о подготовке штурма, в ночь на 24 сентября штурм начался. Русские солдаты, в особенности 73-й Крымский и 76-й Кубанский пехотные полки 19-й пехотной дивизии, обнаружили чудеса героизма, ворвались на вражеские укрепления, но взять их не могли: отсутствие тяжелой осадной артиллерии не позволило разрушить эти укрепления и подавить вражескую артиллерию. Брусилов намеревался повторить штурм, но обстоятельства воспрепятствовали этому.
Еще 22 сентября (5 октября) австро-венгерские войска перешли в наступление, стремясь спасти осажденную крепость. Передовые части русских, находящиеся на реке Дунаец, стали отходить. Думать о продолжении штурма Перемышля не приходилось, и Брусилов отдал приказ о прекращении блокады.
Сложность положения Брусилова состояла и в том, что северный фланг 8-й армии не был достаточно обеспечен: 3-я армия с разрешения командования фронта и вопреки мнению Брусилова была отведена на правый берег Сана. Брусилову приходилось надеяться только на свои силы, так как его многочисленные обращения к начальству о выделении подкреплений оставались без внимания. Более того, генерал Иванов распорядился начать эвакуацию Львова, дав тем самым понять, что не надеется на стойкость 11-й и 8-й армий.
О своих ощущениях в тот период Брусилов писал: «Должен признать, что я до настоящего времени не могу никак понять такое странное, ничем не объяснимое отношение к моей армии, которое могло иметь крайне тяжелые и печальные последствия не только для нее, но и для всего Юго-Западного фронта. Мне и до сего дня не удалось узнать, какие соображения в данном случае руководили генералом Ивановым и бывшим тогда его начальником штаба генералом Алексеевым. В войсках моих ходили чрезвычайно тяжелые пересуды. Мне передавали, что в штабе Юзфронта было обычно выражение: «Брусилов выкрутится», или: «Пусть выкручивается». Это, конечно, сплетня, но характерная сплетня, и не следовало шутить с народным негодованием, давая повод к таким сплетням. Ведь масса солдатская прислушивалась к этим разговорам и добавляла от себя: «Конечно, генерал выкрутится, да только нашей кровью и костями…»
Да, русским солдатам приходилось платить дорогую цену за бездарность и неподготовленность высшего командования армии, среди которого такие генералы, как Брусилов, составляли единичные исключения, да к тому же третировались как «выскочки».
Противник атаковал войска Брусилова превосходящими силами с фронта, одновременно обходя его левый фланг. Одна из второочередных дивизий, недостаточно обученная и имевшая некомплект офицеров, покинула свои позиции, и командарму пришлось изыскивать способы восстановления фронта. Прорыв удалось ликвидировать.
Тяжело приходилось левофланговому 24-му корпусу генерала Цурикова, но, действуя решительно и главным образом наступательно, удалось избегнуть охвата левого фланга армии. Использовав все ресурсы, быстро перебросив их, Брусилову удалось также парировать удар противника на Львов через Миколаев.
В октябрьских боях, как и, увы, всегда впредь, на положении русских войск тяжело сказывалось превосходство противника в тяжелой артиллерии. 17 октября Брусилов доносил по начальству: «Наличного числа тяжелых орудий, имеющихся в распоряжении армии, недостаточно для сколько-нибудь успешной борьбы с многочисленной крепостной артиллерией, вооруженной современными орудиями более крупного калибра. В настоящее время боевые действия на фронте армии приняли позиционный характер; противник настолько усилил свои укрепления и окопы, что успешная работа против них не под силу нашим легким полевым орудиям и гаубицам; кроме того, на всем фронте расположения австрийцев имеется значительное число тяжелых полевых орудий, а в последние дни появились орудия 8-дюймового калибра, безнаказанно расстреливающие наши войска и укрепления». Но командование фронта ничем не могло помочь, тяжелой артиллерии не было. И здесь русские солдаты должны были расплачиваться за непредусмотрительность военного руководства империи. Ответ Иванова на цитированный только что рапорт Брусилова звучит издевательством: при отражения противника генерал советовал подчиненному «развивать хорошо управляемый усиленный ружейный огонь»!