В марте 1904 года, узнав о нападении японцев на Порт?Артур, моряк сдал дела экспедиции, выехал на Дальний Восток и явился к вице?адмиралу С.О. Макарову. Сначала моряка назначили вахтенным начальником на крейсер «Аскольд», с апреля 1904 года он исполнял обязанности артиллерийского офицера на минном транспорте «Амур», с 21 апреля 1904 года командовал миноносцем «Сердитый» и совершил несколько смелых атак. Под руководством Колчака ставили минное заграждение на подступах к Порт?Артурской бухте, а также минную банку в устье Амура, на которой подорвался японский крейсер «Такасаго». Моряк явился одним из разработчиков плана экспедиции для прорыва блокады крепости с моря и активизации действий флота против японских транспортов в Желтом море и на Тихом океане. После гибели Макарова Витгефт отказался от осуществления плана. Со 2 ноября 1904 года до капитуляции крепости моряк командовал 120?мм и 47?мм батареями на северо?восточном крыле обороны Порт?Артура. Раненный, с обострением ревматизма, он попал в плен. Колчака не раз награждали за отличия под Порт?Артуром: орденом Святой Анны 4?й степени, золотой саблей с надписью «За храбрость» и орденом Святого Станислава 2?й степени с мечами. В 1906 году он получил серебряную медаль «Памяти русско?японской войны».
В апреле 1905 года Колчак вернулся через Америку в Россию. После лечения на водах он с осени занимался обработкой научных материалов арктической экспедиции, подготовил статьи «Последняя экспедиция на о. Беннетт, снаряженная Академией наук для поисков бар. Толля» и «Предварительный отчет начальника экспедиции на землю Беннетт для оказания помощи бар. Толлю». Специалисты высоко оценили содержащиеся в них научные сведения о малоисследованном районе Арктики.
Одновременно моряк занимался вопросами развития военного флота. С начала 1906 года он участвовал в работе Петербургского военно?морского кружка, члены которого изучали вопросы морской стратегии, тактики и использования оружия на опыте русско?японской войны, а потом был его председателем. Колчак выступил с докладом «О постановке мин заграждения с миноносцев», в котором предложил идею использования автоматических мин в качестве средства нападения.
Колчак явился одним из инициаторов создания Морского генерального штаба и с его образованием в 1906 году был начальником статистического отделения, затем возглавил подразделение по разработке оперативно?стратегических планов на Балтийском море. Его доклад «Дифференциация морской силы» стал основополагающим при разработке Морским генеральным штабом новых типов судов. В 1907 году Колчак перевел с французского работу М. Лобефа «Настоящее и будущее подводного плавания», подготовил статью «Современные линейные корабли» и другие. В докладе военно?морскому кружку «Какой нужен России флот» моряк утверждал:
«России нужна реальная морская сила, на которой могла бы быть основана неприкосновенность ее морских границ и на которую могла бы опереться независимая политика, достойная великой державы, то есть такая политика, которая в необходимом случае получает подтверждение в виде успешной войны. Эта реальная сила лежит в линейном флоте и только в нем, по крайней мере в настоящее время, мы не можем говорить о чем?либо другом. Если России суждено играть роль великой державы — она будет иметь линейный флот как непременное условие этого положения».
Этот свой тезис моряк попытался провести в жизнь. Он, как эксперт по военно?морским вопросам, добивался в комиссии по обороне 3?й Государственной Думы правительственных ассигнований на строительство военных судов для Балтийского флота, в частности 4 дредноутов, но не смог преодолеть сопротивление думцев, требовавших сначала проведения реформ морского ведомства. Разочаровавшись в возможности осуществления задуманного, в 1908 году Колчак продолжил чтение лекций в Николаевской морской академии. В 1907 году его произвели в капитан?лейтенанты, в 1908 — в капитаны 2?го ранга.
По предложению начальника Главного гидрографического управления А.В. Вилькицкого Колчак участвовал в разработке проекта научной экспедиции с целью исследования Северного морского пути. В апреле 1909 года Колчак выступил с докладом «Северо?восточный проход от устья р. Енисея до Берингова пролива» в Обществе изучения Сибири и улучшения ее быта. Тогда же ученый написал основную свою работу «Лед Карского и Сибирского морей», опубликованную в 1909 году. Основанная на наблюдениях, сделанных в экспедиции Толля, она долго не теряла своего значения. Осенью 1909 года ледокольные транспорты «Таймыр» и «Вайгач» отправились из Кронштадта во Владивосток. Суда эти составили экспедицию Северного Ледовитого океана, которой предстояло исследовать путь из Тихого океана в Ледовитый вдоль берегов Сибири. Колчак как командир ледокольного транспорта «Вайгач» пришел на нем летом 1910 года через Индийский океан во Владивосток, затем плавал к Берингову проливу и в Чукотское море, где выполнял гидрологические и астрономические исследования.