Продолжить деятельность на Севере моряку не удалось. Осенью его отозвали из экспедиции, и с конца 1910 года он был назначен начальником Балтийского оперативного управления Морского генерального штаба. Колчак занимался разработкой судостроительной программы России (в частности кораблями типа «Измаил»), преподавал в Николаевской морской академии, в качестве эксперта Государственной Думы добивался увеличения ассигнований на кораблестроение. В январе 1912 года он представил записку о реорганизации Морского генштаба. Колчак подготовил книгу «Служба Генерального штаба: сообщения на дополнительном курсе военно?морского отдела Николаевской морской академии, 1911–1912 гг.», в которой настаивал на введении полного единовластия командующего на флоте. Мысль эту моряк в дальнейшем твердо проводил на всех занимаемых им постах.
Весной 1912 года по предложению адмирала Н.О. Эссена Колчак принял командование эсминцем «Уссуриец». В декабре 1913 года за отличную службу его произвели в капитаны 1?го ранга, назначили флаг?капитаном оперативной части штаба командующего морскими силами Балтийского моря и одновременно командиром эсминца «Пограничник» — посыльного судна адмирала.
В начале Первой мировой войны капитан 1?го ранга составил диспозицию операций военного времени на Балтике, организовывал успешную постановку мин и нападения на караваны германских торговых судов. В феврале 1915 года 4 эсминца под его командованием выставили в Данцигской бухте около 200 мин, на которых подорвались 12 боевых кораблей и 11 транспортов противника, что заставило германское командование временно не выводить корабли в море.
Летом 1915 года по инициативе Колчака в Рижский залив ввели линейный корабль «Слава» для прикрытия минных постановок у берегов. Эти постановки лишили наступающие германские войска поддержки флота. Временно командуя с сентября 1915 года Минной дивизией, он с декабря являлся одновременно и начальником обороны Рижского залива. Используя артиллерию кораблей, моряк помог армии генерала Д.Р. Радко?Дмитриева отразить натиск противника при Кеммерне. Свою роль сыграл десант в тылу вражеских войск, высаженный в соответствии с тактическим замыслом Колчака.
За успешные нападения на караваны германских судов, доставлявших руду из Швеции, Колчака представили к награждению орденом Святого Георгия 4?й степени. 10 апреля 1916 года его произвели в контр?адмиралы, а 28 июня назначили командующим Черноморским флотом с производством «за отличие по службе» в вице?адмиралы. Колчак не хотел отправляться на незнакомый ему морской театр. Однако он быстро освоился, уже в июле 1916 года на линкоре «Императрица Мария» участвовал в рейде русских кораблей в Черном море, завязал бой с турецким крейсером «Бреслау». Через месяц под руководством Колчака была усилена блокада Босфора и угольного района Эрегли — Зонгулдак, произведено массированное минирование портов противника, в результате которого выходы неприятельских кораблей в Черное море почти прекратились.
После Февральской революции Колчак 12 марта 1917 года привел флот к присяге Временному правительству. Моряк активно боролся против революционного «брожения» и постепенного падения дисциплины на флоте. Сторонник продолжения войны до победного конца, он выступал против окончания боевых действий. Когда под влиянием прибывших с Балтики агитаторов матросы начали разоружение офицеров, Колчак в середине июня 1917 года передал командование контр?адмиралу В.К. Лукину и по требованию Керенского выехал с начальником штаба в Петроград для объяснения несанкционированной отставки. Выступив на заседании правительства, Колчак обвинил его в развале армии и флота.
В начале августа 1917 года вице?адмирала назначили начальником военно?морской миссии в США. По прибытии в Вашингтон он внес свои предложения по намечавшейся высадке в Дарданеллах, занимался сбором технической информации об американских военных приготовлениях. В начале октября 1917 года моряк участвовал в военно?морских маневрах на американском линкоре «Пенсильвания». Поняв, что американцы не намерены помогать России в войне, к середине октября он принял решение вернуться на Родину. Однако, прибыв в ноябре 1917 года в Японию, Колчак узнал об установлении советской власти и о намерении большевиков заключить мир с Германией, после чего решил не возвращаться. Большевиков он считал германскими агентами. Так как война овладела всем его существом, вице?адмирал в начале декабря 1917 года обратился к английскому послу в Японии с просьбой принять его на английскую военную службу. В конце декабря 1917 года последовало согласие. В январе 1918?го моряк отправился из Японии на Месопотамский фронт, где русские и английские войска воевали с турками. Однако в Сингапуре он получил от лондонского правительства предписание прибыть в Пекин к российскому посланнику князю Н.А. Кудашеву для работы в Маньчжурии и Сибири.