Заинтересовавшись его публикациями, известный исследователь Арктики барон Э. В. Толль предлагает Колчаку принять участие в поисках легендарной Земли Санникова. Отправившись на поиски пропавшего Толля, он на вельботе со шхуны «Заря», а затем на собачьих упряжках совершает рискованный переход и находит остатки погибшей экспедиции. Во время этого опасного похода Колчак сильно простудился и чудом выжил после тяжёлого воспаления лёгких.
В марте 1904 года, сразу после начала войны, не оправившись окончательно от болезни, Колчак добился направления в осаждённый Порт-Артур. Миноносец «Сердитый» под его командованием принимал участие в установке заградительных мин в опасной близости от японского рейда. Благодаря этим боевым действиям были подорваны несколько вражеских кораблей.
В последние месяцы осады он командовал береговой артиллерией, которая нанесла ощутимый урон противнику. В ходе боёв был ранен, после взятия крепости попал в плен. В знак признания его боевого духа командование японской армии оставило Колчаку оружие и освободило из плена. За проявленный героизм он награждён Георгиевским оружием, орденами Св. Анны и Св. Станислава.
После лечения в госпитале Колчак получает шестимесячный отпуск. Искренне переживая фактически полную потерю родного флота в войне с Японией, он активно включается в работу по его возрождению.
В июне 1906 года Колчак возглавил комиссию при морском генштабе по выяснению причин, приведших к поражению под Цусимой. В качестве военного эксперта часто выступал на слушаниях Государственной думы с обоснованием выделить необходимое финансирование. Его проект, посвящённый реалиям русского флота, стал теоретической базой всего русского военного судостроения в предвоенный период. В рамках его осуществления Колчак в 1906–1908 гг. лично руководит строительством четырёх броненосцев и двух ледоколов.
За неоценимый вклад в исследование русского Севера лейтенант Колчак был избран членом Русского географического общества. За ним закрепилось прозвище «Колчак-полярный».
Одновременно Колчак продолжает деятельность по систематизации материалов прошлых экспедиций. Изданная им в 1909 году работа о ледяном покрове Карского и Сибирского морей признана новой ступенью в становлении полярной океанографии по изучению ледяного покрова.