Русский военачальник. В политических движениях не участвовал.
Дворянин. В 1872 г. окончил младший специальный класс Пажеского корпуса. Участник русско-турецкой войны 1877-1878 гг. В 1883 г. окончил офицерскую кавалерийскую школу, позднее преподавал там же, был начальником школы. Увлекался оккультизмом и мистикой.
Во время Первой мировой войны в 1914-1916 гг. командовал 8-й армией. Генерал от кавалерии. Генерал-адъютант. С 17 марта 1916 г. — главнокомандующий Юго-Западного фронта. В мае-августе 1916 г. руководил наступлением, получившим позднее название «Брусиловского прорыва» — одной из крупнейших операций на русско-германском фронте.
В ходе Февральской революции — сторонник отречения императора Николая II от престола в пользу сына Алексея при регентстве великого князя Михаила Александровича. 1 марта на вопрос генерала М.В. Алексеева о мнении Брусилова по данному вопросу ответил телеграммой, в которой называл такой исход единственной возможностью выхода страны из тяжёлого положения и спасения династии.
Сторонник продолжения войны «до победного конца», выступал по этому поводу 20 апреля на открытии съезда делегатов Юго-Западного фронта. 26 апреля заявил резкий протест военному министру А.И. Гучкову против назначения комиссаров Временного правительства при штабах фронтов и армий. Считал, что подобная мера будет пагубно влиять на войска, что командование должно обладать полной властью.
22 мая назначен Верховным главнокомандующим. 23 мая утвердил «План формирования революционных батальонов из волонтёров тыла». В июне принял предложенное ему почётное звание верховного председателя всех фронтовых комитетов по их формированию.
Занимаясь подготовкой наступления на русско-германском фронте, обсуждал в переписке с А.Ф. Керенским вопрос о порядке демобилизации армии в случае необходимости. Накануне наступления, начавшегося 16 июня, обратился к союзному командованию с просьбой о поддержке русских армий наступлением на других фронтах. Июньское наступление не достигло успеха из-за морального разложения российских войск.
После событий 3-5 июля в Петрограде высказывался за жёсткое подавление антиправительственных выступлений и решительную борьбу с большевизмом.
9 июля вместе с Керенским подписал распоряжение о подавлении призывов к неисполнению боевых приказов, при необходимости с применением оружия. 10 июля запретил собрания и митинги в районе боевых действий под угрозой вооружённого разгона. 12 июля запретил войсковым комитетам обсуждать боевые приказы и вмешиваться в них. В телеграмме Керенскому писал: «… только применение смертной казни остановит разложение армии и спасёт свободу и Родину».
После совещания в Ставке, обсудившего положение на фронте, 19 июля смещен с должности. Уехал в Москву.
8-10 августа участвовал в Московском совещании общественных деятелей, вошёл в состав комиссии по выработке резолюции, заявлял о необходимости отстранить армию от политики. В сентябре — почётный председатель правления Общества укрепления в военной и народной среде православной христианской религии.
После Октябрьской революции жил в Москве. С 1920 г. — в РККА. Главный инспектор кавалерии РККА. Позднее состоял при РВС СССР.
Автор воспоминаний.