Русское командование не отказалось от продвижения на запад. По плану Ставки три армии — 9, 4 и 5-я — должны были наступать на Краков, 3-я армия — блокировать Перемышль, а 8-я прикрывать блокаду крепости. Поначалу события и развивались согласно этому плану. Русские армии продвигались в краковском направлении, угрожая вторжением в Верхнюю Силезию; в то же время войска Брусилова начали действия в Западной Галиции. Теперь они сражались в горах, и командарм издал соответствующий приказ: «В предстоящем наступлении мы подходим к предгорьям Карпат. Местность будет более гористой, более закрытой лесами, но зато и дающей больше хороших укрытых подступов при наступлении. Нового в этом ничего нет, необходимо обратить только больше внимания на искусство маневрирования, на поддержание самой тесной связи между отдельными участками и на полное взаимодействие огня одних с наступлением других.

Брусилов предполагал, что, оставив позади Перемышль, его войска будут двигаться по пятам за противником, не давая ему возможности передохнуть и привести себя в порядок. Перемышль следовало немедленно штурмовать, и в том состоянии паники, в котором находились тогда австрийские войска, штурм имел большие шансы на успех. Но так как осаду поручили 3-й армии под командованием Радко Дмитриева, то Брусилов не имел возможности вмешаться в действия соседа. Командарм-3 не предпринял немедленного штурма. Вскоре обстановка изменилась.

Германское командование, ввиду катастрофического положения своего союзника — Австро-Венгрии, срочно перебросило в Польшу 9-ю армию Гинденбурга, намереваясь наступать на Средней Висле. В ответ русское командование перегруппировало сюда с реки Сан 9, 4 и 5-ю армии. Брусилову было приказано с утра 15(28) сентября вывести основные силы армии из боя и, сосредоточив их между Львовом и Перемышлем, создать маневренную группу, для действий в зависимости от обстановки. Несколькими днями позднее на левом фланге Юго-Западного фронта была организована под командованием Брусилова Галицийская группа (3-я, 8-я и Блокадная, позднее — 11-я армия). В задачу группы входило противодействие правому флангу австро-венгерских войск, прикрытие Львова и блокада Перемышля.

Теперь, когда действия против Перемышля входили в его прямые обязанности, Брусилов взялся за подготовку штурма крепости. Перемышль был крепким орешком: могучие бетонные брустверы, вращающиеся броневые башни, вместительные казематы, форты, один сильнее другого, глубокие рвы с прикрытием для стрелков, большое число артиллерии разного калибра, вплоть до сверхтяжелых, ряды колючей проволоки и в довершение — доминирующее положение Перемышля по отношению к окружающей местности. Гарнизон крепости немногим уступал в численности русским войскам, его обложившим. Все это делало овладение крепостью нелегким предприятием.

Все же Брусилов считал взятие крепости возможным при условии немедленного и решительного штурма. 19 сентября (2 октября) в 10 часов 55 минут он телеграфировал главнокомандующему: «Совокупность всех сведений о Перемышле привела меня к заключению, что штурм крепости имеет много шансов на успех. Генерал Щербачев, непосредственно ведавший блокадой крепости на правом берегу Сана, ознакомленный с обороноспособностью крепости, совершенно того же мнения. Так как овладение Перемышлем будет иметь громадное моральное и военное значение, освободит скованные крепостью пять дивизий, передаст в наши руки важный узел дорог, что даст возможность 3-й и 8-й армиям действовать в тесной связи, уверенность обеспечения тыла, мне представляется соответственным теперь же попытаться овладеть Перемышлем, и в этом направлении мною даны указания генералу Щербачеву начать подготовку, на которую предполагаю употребить 4–5 дней. Направляю на поддержку тяжелый дивизион, саперный батальон, 19-ю пехотную дивизию, стрелковую бригаду».

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…»