В это же время немцы подходят к крепости Ивангород, гарнизон которой оказывает им твердое сопротивление. 9-го 4-я армия бросает в бой свои первые части и захватывает плацдарм у Новой Александрии. 13-го 3-й Кавказский корпус (Ирманов) вступает в бой с противником при Кошеницах. «Несмотря на все наши усилия, нам так и не удалось сбить с позиций неприятеля, который сражался с исключительным мужеством» (Гофман). Пока на подступах к Варшаве и Ивангороду разворачиваются кровопролитные бои, русское командование завершает перегруппировку своих сил и неожиданно переходит в контрнаступление. 12 октября маневренная группа наносит сильный удар по левому флангу немцев. 15–17 октября 2-я армия отбивает Блон и Сухачев. 21-го 4-я армия овладевает Кошеницей. 24-го 9-я армия немцев разбита.

Со своей стороны 9-я армия контратакует 1-ю австро-венгерскую армию. «25-го, около полудня, удар русской пехоты прорывает фронт нашего 10-го корпуса и вынуждает нас отступить» (История войны, написанная австрийским Генеральным штабом). 27-го Гинденбург приказывает начать общее отступление. 28-го русские освобождают Радом, 30-го — Лодзь. 2 ноября австро-германский фронт, едва восстановленный в районе Кильсе, вновь прорван, и 8-го русские выходят на линию государственной границы, завершив освобождение Польши. «Русские энергично преследовали нас по всему фронту; они также атаковали на восточно-прусском фронте и наши войска, прикрывавшие границу в районе Млавы. Положение на Восточном фронте становилось серьезным» (Гофман). Маневр Гинденбурга, призванный прорвать русский фронт, завершается неудачей и большими потерями (23 тыс. взяты в плен, захвачены 63 орудия), но он достигает основной цели — оказать помощь австрийцам. Внимание русских отвлечено от Галиции, и австро-венгерские войска могут перевести дух.

Вторая Галицийская битва. Уход на север трех русских армий облегчает австро-венграм их задачу по вытеснению русских из Галиции, в рамках общего наступления. Трем австро-венгерским армиям — 2-й (Бём-Эрмоли), 3-й (Бороевич) и 4-й (эрцгерцог Йозеф Фердинанд) противостоят лишь две русские: 3-я (Радко-Дмитриева) и 8-я (Брусилова). Кроме того, есть осадная армия, осаждающая Перемышль. Общее соотношение сил: 38 австро-германских пехотных дивизий против 24 русских.

4 октября австро-венгры переходят в наступление. Русские отступают к реке Сан. 7-го Щербачев предпринимает попытку штурма Перемышля, завершающуюся неудачей. Осада снята. 9-го поражением русского 11-го армейского корпуса под Пржеворском начинается 2-я Галицийская битва, которая продлится двадцать пять дней. Ожесточенные бои разворачиваются на Сане. Радко-Дмитриев наносит противнику поражение. Но для армии Брусилова положение становится критическим. Атакованный с фронта 3-й армией, он видит, как его левый фланг прогибается под мощными ударами 2-й австро-венгерской армии. Однако в то время, когда 8-я армия отражает фронтальные атаки, 24-й армейский корпус наносит дерзкий удар в правый фланг Бёма-Эрмоли и останавливает его продвижение. Изменение ситуации в Польше отвлекает туда 2-ю австрийскую армию. Теперь, когда силы сторон уравнялись, австро-венгры прекращают свои атаки, а 4 ноября начинают общее отступление: 4-я армия на Краков, 3-я — в Карпаты. Русские их преследуют. Перемышль вновь осажден. Большая заслуга в том, что русские сохраняют свои завоевания, принадлежит Брусилову.