1915年1月22日—1915年1月24日，德军和奥匈军队转入进攻，向桑博尔和斯特雷实施突击。几乎与此同时，俄军第8集团军发起进攻。由于在山地复杂地形条件下进行冬季作战，双方又多次发生遭遇战斗，俄军进展迟缓。
直到2月初，集团军右翼才占领喀尔巴阡山的科内奇纳、巴利格鲁德地段。在斯特雷方向，俄军顽强防御，但方面军左翼军队在联军优势兵力的压迫下，被迫向锡雷特河、并进而向普鲁特河和德涅斯特河撤退。西南方面军司令重新变更军队部署。
2月底，方面军抽调右翼几个军加强左翼，并新组建成第9集团军(步兵师8.5个、骑兵师5个，由列奇茨基将军任司令)。该集团军在博列霍夫至罗马尼亚边境一线展开，受命攻击向纳德沃尔纳亚和斯坦尼斯拉夫(伊万诺—弗兰科夫斯克)发动进攻的敌军。
3月中旬，大本营改变了1915年战局的计划，命令西南方面军进攻布达佩斯，而西北方面军则进行防御。整个3月份，在第8集团军及第3集团军左翼地带内战斗连续不断。联军曾千方百计企图解除佩列梅什利之围，但该要塞12万奥匈守军被围6个月之后于3月22日投降。腾出的第11集团军所属兵团和部队分别配属给了第8、第3两集团军，这两个集团军受命突破德奥联军中央的防御，并向第9集团军当面敌人的侧后穿插。
俄军第8和第3集团军在对德军南集团军和奥匈第3集团军发动的新的进攻中，仅前进20公里。第8集团军占领贝斯基迪山脉。3月底德军指挥部调来贝斯基迪步兵军(3个师)抗击俄军进攻。
喀尔巴阡的血战一直延续到4月24日。由于伤亡重大、人员疲惫、春季泥泞，以及多处无通行道路，伊万诺夫将军只得下令停止进攻，固守所占地区。
此战，俄军损失约100万人，德奥军队损失约80万人，俄军未达到既定目的。这是因为缺乏必要的预备队，所需火炮和弹药也未得到保障。
喀尔巴阡战役中，不但俄军计划落空，而且德奥联军统帅部企图大范围包围俄军左翼和解除佩列梅什利之围的计划亦遭到破产。双方的交战形成为在200公里宽的正面上进行面对面的搏斗。喀尔巴阡战役的意义在于俄军牵制了德奥联军大量兵力，使英、法两国军队得以在巴尔干半岛和其他地区积极作战。