Осуществляя операцию по ликвидации Свенцянского прорыва, Алексеев обратил внимание и на обращения Брусилова, просившего Ставку выделить ему дополнительные силы - он доказывал, что может нанести удар по левому флангу австрийцев и лишить их условий для новых наступательных операций, взяв Луцк и закрепившись на рубеже р. Стырь. Но Алексеев увидел и другое - что поражение австрийцев опять заставит немцев спасать их и отвлекать войска с главного, белорусского направления. И в тяжелые дни, когда на счету был каждый полк, Брусилов получил свежий 30-й корпус ген. Зайончковского с задачей использовать его для наступления. Фронт в это время проходил по р. Горынь и ее притоку Стубель. Корпус Зайончковского, придав ему 7-ю кавдивизию, командарм расположил на крайнем северном участке, у села Степань (недалеко от г. Сарны), приказав ему наступать на Рожище и Луцк и при этом стараться охватывать австрийский фланг. Южнее, в лоб, действовал 39-й корпус Стельницкого, которому предстояло сковывать противника фронтальными атаками, в центре наступала 4-я Железная дивизия, а на левом фланге - 8-й корпус Драгомирова. Иванов в успех не верил и предлагал вместо крупной армейской операции ограничиться частными демонстрациями. Однако Брусилов настоял на своем - тем более, имея поддержку в Ставке.
Удар был нанесен 16.9, хотя развивался не совсем так, как предполагалось. 4-я австрийская армия была уже ослаблена предшествующими боями, и в первые же два дня полки Станкевича и Маркова 4-й Железной прорвали неприятельские позиции. А обходной маневр 30-го корпуса австрийцы обнаружили, и это вынудило их к ускоренному отступлению. Русские войска погнали врага. 18.9 дивизия Деникина вышла к Луцку с юга и пошла на штурм. Однако с этой стороны город был сильно укреплен - отчасти еще до войны самими русскими. И защитников хватало - как раз тут командование противника решило остановить наступление Брусилова, и против железных стрелков оказалось 2,5 дивизии, отошедшие с других участков.
В беспрерывных боях, продолжавшихся и ночью, полки Деникина сумели взять 2 линии вражеских укреплений, но дальше продвинуться не могли, и атаки захлебывались. В это время и 30-й корпус вышел к Стыри по соседству, взяв г. Рожище, и Брусилов приказал ему штурмовать Луцк с севера, помочь Деникину. Зайончковский был человеком своеобразным, любил красивые позы (что, впрочем, не помешало ему впоследствии стать хорошим военным историком и создать одну из лучших работ о мировой войне). И издал приказ по своим частям - дескать, даже Железная дивизия не смогла взять Луцк, и вот теперь эта почетная задача возлагается на них. А поскольку на следующий день был праздник Рождества Богородицы, то влепил и такое: "Порадуем Матушку Царицу небесную! Бутылка откупорена! Что предстоит нам пить из нее, вино иль яд, покажет завтрашний день!" Однако завтрашний день ничего не показал, поскольку и у него наступление застопорилось. Австрийцы оборонялись отчаянно, собрали большое количество артиллерии. И Зайончковский запросил помощи от железных стрелков. Брусилов приказал Деникину передать ему один полк, но и следующая атака тоже не удалась. Командир 30-го корпуса жаловался, что его подавляет сильнейший артобстрел. И Брусилов опять распорядился помочь - всеми батареями, имеющимися у Деникина, вести огонь в течение ночи. Тот выполнил. Австрийцы ответили шквалом снарядов. Одна из гранат попала даже в очаг хаты, где размещался штаб дивизии, но к счастью, не взорвалась. И было понятно, что это еще "цветочки" - в темноте враг бил по площадям, а утром, раз уж русские батареи обнаружили себя и израсходовали боезапас, дивизию проутюжат так, что мало не покажется. Деникин собрал командиров трех оставшихся у него полков и объявил: "Наше положение пиковое. Ничего не остается, как атаковать". И те согласились - в 4-й Железной научились в этом смысле понимать друг друга с полуслова.
На рассвете дивизия ринулась на штурм. Австрийцы, зная о ее ослаблении, такого не ожидали, оттянули часть войск для отражения атак с севера. А стрелки в мощном порыве достигли вражеских укреплений, закидали гранатами пулеметы и ударили в штыки. Вместе со своими солдатами Деникин и сам влетел в город на открытом автомобиле и отправил оттуда телеграмму Брусилову - Луцк взят. Австрийские части, оборонявшие северную окраину, узнав о прорыве, тоже дрогнули и побежали, и в город вошли войска Зайончковского. И он также послал донесение, что захватил Луцк. Брусилов на полях его телеграммы иронично приписал: "И взял там в плен генерала Деникина". В целом же победа была значительной. Только одна 4-я стрелковая пленила 158 австрийских офицеров и 9800 солдат - примерно столько же, сколько было в самой в дивизии. Некоторые вражеские части очутились в кольце, зажатые между прорвавшимися к Луцку клиньями Деникина и Зайончковского и наступавшим с фронта корпусом Стельницкого. И тоже сдавались или добивались. 4-я австрийская армия - ударная, специально в свое время усиленная для действий в группе Макензена - была разгромлена.
