В пользу справедливости этой информации свидетельствует как подготовка оборонительных позиций, которые на особо опасных участках насчитывали до восьми линий обороны, так и то, что в ходе самого сражения, носившего исключительно ожесточенный характер, австрийские части неоднократно переходили в контратаки⁵⁹⁶. План австрийского Верховного командования основывался на том убеждении, что 5-я русская армия была разбита. Австрийская авиация приняла перевозку 61-й дивизии из Владимира-Волынского в Брест-Литовский (она была назначена в гарнизон крепости) за начало большого отступления русских войск. Ф. Конрад фон Гетцендорф рассчитывал, что трех пехотных и двух кавалерийских дивизий будет достаточно, чтобы застраховаться от возможных действий П. А. Плеве⁵⁹⁷. Этот план с самого начала был сорван. 4 сентября 5-я русская армия перешла в наступление, а 6 сентября овладела городом Замостье. Группа Иосифа-Фердинанда отступала⁵⁹⁸.

Изменилось и положение на фронте, который должен был сдерживать В. Данкль. С 27 августа по 2 сентября 4-я русская армия вела оборонительные бои на фронте в 90 км под Люблином. Ко 2 сентября под Люблин прибыло шесть дивизий, 4-я армия выросла до 14 пехотных и 3,5 кавалерийской дивизий. 1–2 сентября путем разделения прибывших пополнений и имевшихся войск была создана новая русская армия – 9-я. Ее возглавил генерал П. А. Лечицкий. В то же время потери австрийцев составили до 30–40 % от списочной численности. 2 сентября они начали отступление⁵⁹⁹, однако провести его полностью организованно не удалось. Поначалу отступавшие бросали все, что могло задержать их отход, быстро превращавшийся в бегство⁶⁰⁰. Началось разложение, впервые принявшее форму капитуляции целых частей перед наступавшими русскими войсками, австрийцы сдавались в плен ротами⁶⁰¹. 6 сентября сдался окруженный 45-й австрийский полк, в плен попали 45 офицеров во главе с полковником и 1600 солдат⁶⁰². К сожалению, в этот момент русское командование не использовало для преследования кавалерию, что спасло жизнь и свободу многим отступавшим⁶⁰³.

В этой обстановке Ф. Конрад фон Гетцендорф все еще пытался осуществить свои замыслы на львовском направлении. 8 сентября 4-я и 3-я австровенгерские армии перешли в контрнаступление на стыке 3-й и 8-й русских армий⁶⁰⁴. Австрийские части были в основном представлены венгерским гонведом, солдаты которого храбро и энергично шли в атаки и теснили русскую пехоту. К вечеру 9 сентября австрийцы подходили ко Львову с трех сторон. Их части находились в 20 км от города на северо-западе, в 15 км – на западе, в 30 км – на юге⁶⁰⁵. Бои носили исключительно тяжелый характер. На каждые 5,5 км фронта, занимаемых двумя армиями противника – 4-й М. Ауффенберга и 3-й С. Бороевича фон Бойны, назначенного вместо Р. Брудермана, – приходилось по дивизии. Правда, в ходе боев в составе этих частей выявился некомплект в 26 %, а войска русских 3-й и 8-й армий, которые также понесли большие потери, сохраняли превосходство в артиллерии на 146 орудий⁶⁰⁶.

Положение было крайне сложным. Обе стороны практически исчерпали свои возможности и не имели резервов⁶⁰⁷. 10 и 11 сентября на фронте А. А. Брусилова и Н. В. Рузского шли особо тяжелые бои. С одной стороны австрийцам удалось на некоторых участках потеснить армию А. А. Брусилова на 6-12 км⁶⁰⁸. К 29 августа (11 сентября) напряжение достигло кульминации. В городе были хорошо слышны выстрелы орудий, и в штабе 8-й армии не исключали возможности оставления Львова. Тем не менее австрийское наступление было остановлено в 12 км от города⁶⁰⁹. В эти дни сказалось превосходство русских войск в артиллерии, которая при наличии снарядного запаса сыграла значительную роль в ходе решающих боев. Английский корреспондент, находившийся в ходе боев в войсках 8-й армии, отмечал огромное значение для исхода боя массового использования русскими войсками полевых тяжелых гаубиц⁶¹⁰.

В ходе боев под Львовом Н. В. Рузский просил о помощи, и она была ему оказана. 8–9 сентября командование Юго-Западного фронта организовало общее наступление 9, 4 и 5-й армий. Первым результатом этой атаки был разгром немецкого ландверного корпуса Р. фон Войрша. 8 сентября русский Гвардейский корпус захватил 34 орудия, в том числе и немецкую тяжелую батарею. Германские артиллеристы, по свидетельству командира корпуса, сражались до последнего, и все были переколоты штыками у своих орудий⁶¹¹. 9 сентября Р. фон Войрш был разбит, как и части 1-й австро-венгерской армии, которые понесли в ходе этих боев потери до 90 тыс. человек, что составило до 27 % состава. Насколько тяжело доставались эти успехи, можно судить по простым цифрам: активно участвовавший во встречных боях с австро-германцами лейб-гвардии 3-й стрелковый полк за месяц боев с конца августа по конец сентября 1914 г. сократился от списочной численности 49 офицеров и 2,5 тыс. нижних чинов до шести офицеров и 210 стрелков⁶¹².

10 сентября В. Данкль начал быстрое отступление, теперь уже его армия оказалась под угрозой обходящей ее тыл и фланг 5-й армии генерала П. А. Плеве. Преследуя противника, русские войска 10–11 сентября развили весьма высокий темп наступления, пройдя до 30–32 км. Это наступление создавало угрозу флангового охвата и дальнейшего окружения 2, 3 и 4-й австро-венгерских армий⁶¹³. После тяжелейших пятидневных боев фронт 4-й австрийской армии под Рава-Русской был прорван⁶¹⁴. Это создавало угрозу окружения основной австро-венгерской группировки и сводило на нет небольшие успехи австрийцев на фронте русской 8-й армии⁶¹⁵. В новой ситуации чем глубже кулак из 17,5 австро-венгерской дивизии втягивался в позиции армии А. А. Брусилова, тем серьезнее для них становилась угроза окружения. Ф. Конрад фон Гетцендорф лично прибыл к эрцгерцогу Фридриху, чтобы наблюдать за действиями войск. 11 сентября русская кавалерия стала угрожать непосредственно этому штабу, и он понял, что отступление неизбежно. Ранним утром этого дня командование 4-й русской армии передало открытым текстом задачу двум своим корпусам выйти к вечеру далеко в глубь австрийского фронта. Опасаясь прорыва этих корпусов армии П. А. Плеве под Рава-Русской, которые, по словам Ф. Конрада фон Гетцендорфа, могли отрезать в Западной Галиции главные силы императорской и королевской армий, он приказал своим войскам отступать за реку Сан⁶¹⁶.

Уже во второй половине дня 11 сентября воздушная разведка 8-й армии обнаружила начало отхода противника. Австрийцы торопились выйти из опасного положения⁶¹⁷. В ночь на 12 сентября австрийцы начали быстрый отход, и Городокское сражение было остановлено. Это стало тем более правильным решением, что в ходе боев наметился очередной перелом. Только за один день боев под Рава-Русской русскими войсками были захвачены 8 тыс. пленных и 30 орудий. Забитые эшелонами с ранеными и подкреплениями, австрийские железные дороги не справлялись с перевозками. Не лучше дело обстояло и с шоссейными дорогами. Поток людей и орудий был направлен на запад, боеприпасов и медицинских повозок – на восток. В Перемышле на улицах повозки стояли ось к оси. 4 (17) сентября русские войска подошли к этой крепости, прикрывавшей важнейший транспортный узел в районе. Австрийское командование надеялось, что ее оборона позволит выиграть время для перегруппировки⁶¹⁸.

По свидетельству плененных под Рава-Русской солдат противника, 8-12 сентября они не получали продовольствия и вынуждены были сами обеспечивать себя питанием⁶¹⁹. В период Галицийской битвы М. В. Алексеев постоянно стремился провести операцию по окружению армий противника, используя для этого как подготовленные еще для войны планы, так и импровизации. Обходные движения в зависимости от сложившейся ситуации поручались то 3-й и 8-й, то 5, 4 и 9-й армиям. В результате планы противной стороны были сорваны, австро-венгерская армия понесла большие потери. Однако на финальном этапе сражения время для осуществления плана М. В. Алексеева было упущено. Утомленные боями под Львовом и длительными марш-бросками, части 3-й армии не смогли помешать этому отступлению. Задуманные фланговые охваты так и не были реализованы, преследование вылилось в цепь фронтальных наступлений.