随后，奥军各集团军因遭到俄军的顽强抵抗，损失惨重，进攻速度随之减慢。8月18日和19日俄国西南方面军第8集团军（布鲁西洛夫将军指挥）和第3集团军（鲁斯基将军指挥）分别发起进攻。奥匈第3集团军（布鲁德曼将军指挥）误判俄军兵力，也向俄军发起进攻，在兹沃塔利帕河附近遭俄军挡住，死伤惨重。 8月29—31日，在格尼拉亚利帕河地区的交战中，俄军第3集团军于利沃夫东南突破奥军正面，而第8集团军则击退了从塞尔维亚战场调来的、并得到克韦斯集群加强的奥匈第2集团军（伯姆—埃利莫利将军指挥）的反突击。

奥军的右翼开始向戈罗多克阵地（利沃夫以西30公里）退却。9月3日俄军占领利沃夫，9月2日占领加利奇。奥军指挥部留下一支力量不大的掩护队抵御俄军第5集团军，俄军第5集团军因此脱离包围圈。第4集团军被南调对付俄军第3集团军。在9月5—12日的哥罗多克交战中，奥匈第4、第3、第2集团军企图粉碎俄军第3、第8集团军。他们取得了一些战果，但此时奥军战线左翼的形势急剧恶化。担任防御的俄国第4、第5集团军得到了增援，9月3日，第9集团军（列奇茨基将军指挥）被调往第4集团军的右侧。

9月4日，俄军左翼3个集团军（第9、第4、第5集团军）全部转入反攻，迫使奥军开始退却。第5集团军向俄罗斯拉瓦的进攻，开始威胁到奥匈第4集团军向后方的退路。奥军指挥部被迫中断戈罗多克交战，并于9月11日夜间开始向桑河对岸撤退。由于对奥军的追击迟缓和组织不善，致使其得以摆脱俄军，免遭全歼。

9月21日，俄军包围了普热梅希尔要塞。

战役期间，俄军各集团军前进了280—300公里。进攻的平均速度为每昼夜8—9公里。双方均遭重大损失，但都未能达成预定目的。奥军损失约44万人（其中10万余人被俘）和400门火炮。俄军损失约23万人（其中4万人被俘）和94门火炮。实施加里西亚会战的结果是俄军占领了加里西亚和小波兰部分领土，匈牙利和西里西亚已面临入侵的威胁，德国最强大的盟国——奥匈帝国的军事实力则受到严重削弱。奥军如无德军支援已不能单独作战。德国被迫从西线调大量兵力转到俄国战场，这就缓和了英法军队的困境。俄军进行加里西亚会战， 就有力地援助了塞尔维亚军队。德意志同盟的战略战役能力受到削弱，他们迅速结束战争的打算也就此落空。

加里西亚会战的作战经验，对军事学术的发展有很大影响。这次战役的特点是：战役规模大，大量兵力参加遭遇交战，双方部队都一再向对方翼侧和后方实施突击，力图先敌展开和夺取主动权。加里西亚会战是俄军突破敌人坚固筑垒阵地的典范。在戈罗多克交战中，俄军各兵团相互配合默契，巧妙地结合运用各种不同的战斗样式显示了在复杂地形条件下作战的能力。各师进攻地带的宽度不超过8公里。火炮密度为每公里正面5—8门，在第4集团军达到22门。炮兵连配属给步兵团或营，从暴露阵地对其进行火力支援。步兵营在炮火准备（包括直接瞄准射击）之后，发起冲击。火力和运动的巧妙结合，保障了各步兵分队进攻的胜利。骑兵一般是大量集中地使用，但有时也分散配属给各师。

在加里西亚会战过程中，杰出的俄军飞行员涅斯捷罗夫于1914年9月8日在世界上首次运用了空中撞击方法。各集团军一般都把所属各军配置在第一梯队，只留出近一个步兵师的兵力作为预备队。这就使司令官无法对战役的进程施加影响。指挥和协同动作组织不善，又加害怕脱离主力单独作战，致使俄军指挥部未能实施合围加里西亚奥匈军队的战役。俄军进攻往往导致击溃敌人和带来重大损失的正面突击。尽管俄军官兵作战勇敢，但因统帅部因循守旧，军队物质保障条件太差，而未能充分利用西南方面军的战果。

奥军士官鲁莽蛮勇的作战方式和奥军参谋总长康拉德·冯·赫岑多夫不合理的进攻战略导致奥军在加里西亚失利。奥军在战役初期往往采用线列队形正面强攻，而奥军火力完全占据下风，他们的青铜加农炮无法在步兵进攻时予以足够的支持，造成奥军大量伤亡。奥军士官往往身先士卒，可他们鲁莽的战斗风格几乎使奥匈帝国最优秀的士官在战争开始时就死伤殆尽。加利西亚战役对奥军战斗能力和士气造成毁灭性打击，精锐部队死于无意义的强攻，而士兵则不再服从命令，出现大量逃兵，直接投降俄军的完整建制部队也越来越多。但奥军成功在喀尔巴阡山脉一线挡住俄军，阻止了俄军侵入匈牙利和摩拉维亚等国家腹地。