По данным разведки, перед Юго-западным фронтом противник имел 450 тысяч штыков и 30 тысяч сабель. Необходимо было установить с наибольшей точностью, как эти войска располагались. Для этого были использованы сведения всех видов разведки. Агентурная разведка установила, что резервов за фронтом противника почти нет и подкреплений не подвозится. Воздушная разведка засняла на фотоснимки все неприятельские позиции, как передовые, так и лежавшие в тылу. Фотоснимки были перенесены на карты, а с последних пересняты планы крупного масштаба. Все офицеры и младшие командиры были снабжены такими планами своего участка. После этого все офицеры и командиры наносили на план всякое изменение в позициях противника.
В результате собранных разведкой сведений выяснилось, что позиции противника укреплены очень сильно. Они состояли, как правило, не менее чем из трех укреплённых полос, удалённых одна от другой на расстояние от 3 до 10 километров (в основном на 5–6 километров). Каждая полоса простиралась в глубину на 1,5–2,5 километра и обычно имела не менее трёх линий окопов полного профиля (выше роста человека). Наиболее сильно была укреплена первая полоса, состоявшая из ряда узлов сопротивления. Повсюду были устроены тяжёлые блиндажи, убежища, бойницы; через каждые 80—100 метров имелись железобетонные огневые точки; целая система ходов сообщения вела в тыл. Каждая укреплённая полоса была оплетена проволокой. Местами было по нескольку полос проволочных сетей в пять-восемь рядов кольев. Некоторые ряды были оплетены стальной проволокой, не поддававшейся резке, а на некоторых участках через заграждения проходил электрический ток высокого напряжения, были подвешены бомбы, впереди полос заложены фугасы.
Перегруппировка русских войск производилась Брусиловым с большой скрытностью. Для сохранения тайны были приняты и другие меры. Так, план прорыва был известен только командующему армиями. Для введения противника в заблуждение земляные работы велись на всём фронте, что скрывало направление главного удара. В районе же сосредоточения войска подтягивались скрытно и располагались в тылу за боевой линией. Однако все начальники этих войск находились впереди и тщательно изучали расположение противника, пользуясь теми же планами крупного масштаба, разведывали подступы к неприятельским позициям, выбирали места наблюдательных пунктов артиллерийских (позиций и т. д. Только перед наступлением части занимали предназначенное им место в исходном положении, выдвигаясь вперёд по ночам и на всём фронте, а не только на участке главного удара. Тогда же была поставлена на избранные заранее позиции артиллерия.
Подготовка операции в артиллерийском отношении выразилась в том, что заранее были выбраны артиллерийские позиции, расположенные возможно ближе к противнику; были тщательно пристреляны цели обстрела, изучено огневое фланкирование участков, приняты меры к установлению тесной связи артиллерии с пехотой. Для этого в первую линию окопов были высланы артиллерийские офицеры-наблюдатели, все цели пронумерованы, составлены перспективные чертежи, копии с которых розданы командирам рот и батальонов, между пехотой и артиллерией установлена телефонная связь. Плоды такой подготовки оказались великолепными. Русская артиллерия, вообще отличавшаяся боевой выучкой, показала себя в операции прорыва с самой лучшей стороны.
Инженерная подготовка была особенно сложной. Во-первых, были улучшены позиции, вблизи первой линии окопов возведены новые укрытия, блиндажи. Затем были построены плацдармы для выдвижения войск в исходное положение, находившееся всего лишь в 200–300 метрах от противника. На плацдармах строились в несколько рядов окопы, обнесённые рогатками из колючей проволоки. Окопы были соединены ходами сообщения. Таким образом, пехота после артиллерийской подготовки могла одним броском прямо из окопов достигнуть траншей противника, Работы эти производились по ночам, часто под неприятельским обстрелом. Наконец, исправлялись дороги, мосты, переправы, чтобы не было задержек наступлению со стороны тыла.
Войсковые соединения и части фронта прошли специальное обучение новым приёмам атаки укреплённых позиций. Для проверки хода подготовки операции на позиции выезжали сам генерал Брусилов, начальник штаба фронта, генерал-квартирмейстер и начальник инженеров фронта.