Быстрое и энергичное преследование разбитого противника обещало многое. Поэтому Брусилов приказал восстанавливать немедля переправы через реку Верещицу и преследовать врага кавалерией. Действуя так, удалось захватить немалые трофеи.
Командование Юго-Западного фронта решило продолжать наступление и форсировать реку Сан. 8-й армии было приказано двигаться южнее линии Львов — Городок — Перемышль. Последний город — мощная крепость была обойдена русскими войсками. Взятие ее было возложено на 3-ю армию, а войска Брусилова обеспечивали по-прежнему левый фланг всего русского фронта и блокаду Перемышля.
Преследовали противника русские армии недостаточно энергично — в этом согласны все исследователи. Причиной в основном была чрезмерная осторожность русского командования, вызванная, очевидно, впечатлением от неудачного исхода сражения в Восточной Пруссии.
Кроме того, быстрое преследование затруднялось и объективными обстоятельствами. В донесении главнокомандующему фронта Брусилов писал, что на территории, по которой двигалась армия, каждому корпусу можно было предоставить только одну дорогу, и на ней образовалась вереница войск, обозов и тыловых учреждений в 60 верст.
По каждой такой дороге прошли две армии — австрийская и наша, протащили сотни орудий и зарядных ящиков, проползли десятки тысяч телег. Шоссе, и в мирное время не отличавшееся благоустройством, теперь стало горой грязи, камней; местами путь затрудняли воронки от попаданий тяжелых снарядов. На всем протяжении шоссе было усеяно поломанными телегами, застрявшими в глине грузовиками. Справа и слева, в кюветах — трупы околевших лошадей, около забуксовавших автомобилей — растерянные водители. В поле еще можно было исхитриться объехать особо развороченные участки шоссе обочиной, а то и прямо по полю, но в лесу оставалось одно средство: становиться в хвост и двигаться шагом.
Навстречу же в двуколках и арбах везут раненых…
Австро-венгерские железные дороги могли использоваться лишь в незначительной степени, поскольку почти отсутствовали подвижной состав и паровозы, пригодные для более узкой западноевропейской колеи. Поэтому вся тяжесть ложилась на конный транспорт, а он не мог снабдить своевременно войска продовольствием и боеприпасами. В специальном приказе Брусилов требовал от командиров корпусов «взглянуть, что делается на их корпусных путях, и выяснить причину этого хаоса. Руководство маршами обозов совершенно отсутствует, никаких расчетов не делается, вообще обозы двигаются никем не управляемые. Между тем марш обозов требует еще большего управления, еще более внимательного расчета, чем марш войсковых колонн».
В результате недостаточно энергичного преследования австро-венгерская армия, над которой явственно нависла не только угроза разгрома, но и уничтожения, была просто вытеснена из Галиции. Так закончилась Галицийская битва — одна из крупнейших стратегических операций первой мировой войны, закончилась крупным успехом русских войск. Помимо весьма значительной территории, австро-венгерская армия потеряла до 400 тысяч человек, из них около 100 тысяч пленными. Таким образом, начало войны для России не было таким уж угрожающим, как это иногда изображается. Более того, Австро-Венгрия оказалась на грани катастрофы.
Потери русских войск, однако, были также велики: они составили 230 тысяч человек, в среднем по 4,5 тысячи на дивизию. Это обстоятельство, вместе с трудностями регулярного снабжения действующей армии, заставило русское командование прервать Галицийскую операцию, чтобы устроить тылы и накопить запасы снабжения.
Поражение Австро-Венгрии в Галицийской битве имело огромные политические последствия для общего хода мировой войны. Теперь, после поражения в Галиции и на Марне, исполнение плана германского командования — быстрого поочередного разгрома противников — становилось проблематичным, если не невозможным вообще. Не следует забывать о заметной роли, выпавшей 8-й армии в ходе Галицийской битвы. Действия командарма-8 были высоко оценены командованием: 18 сентября (1 октября) он получает вторую за месяц боевую награду — орден святого Георгия 3-й степени.
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.