После окончания отпуска лейтенант Колчак был прикомандирован к Академии Наук для завершения обработки результатов Русской полярной экспедиции 1900-1903 годов. Именно тогда он пишет упомянутую выше монографию по гляциологии, выступает с докладами, становится членом Российского Географического Общества. В этот же период он подготовил к печати карты Ледовитого океана.

Сокрушительное морское поражение в Русско-Японской войне выдвинуло на повестку дня восстановление флота. Причём восстанавливать и реформировать его необходимо было с учётом всех ошибок, накопленного опыта, изменившейся ситуации. Это осознавали многие видные военные и политические деятели того времени; осознавал это и лейтенант Колчак. В январе 1906 года он вместе с группой молодых морских офицеров организовал Петербургский военно-морской кружок, став его председателем. По инициативе этого кружка был создан Морской Генеральный Штаб - орган оперативного руководства флотом, и с 1 мая Колчак был к нему прикомандирован. 23 июня Александр Васильевич был зачислен в штат по отделению русской статистики и в течение 1906-1908 годов активно работал над возрождением флота. Он принимал участие в изучении военно-политической обстановки, причём офицеры Морского Генерального Штаба ещё в 1906 году предсказали основной ход будущей войны, которую потом назовут Великой или Первой мировой. Колчак принимал участие в разработке судостроительных программ, нередко выступал в Государственной Думе, отстаивая позиции России и Флота. В декабре 1907 года на очередном заседании Петербургского военно-морского кружка произведённый к тому времени в капитан-лейтенанты Колчак выступил с докладом «Какой нужен России флот», отстаивая необходимость постройки прежде всего линейных кораблей. После этого доклада его имя стало ещё более популярным в морских офицерских кругах. 13 апреля 1908 года Колчак был произведён в капитаны 2-го ранга и назначен на должность заведующего одним из ведущих отделов Морского Генштаба - отдела Балтийского театра. Но вскоре из-за разногласий с новым морским министром С. А. Воеводским Колчак вынужден был оставить Генеральный Штаб.

Несколько месяцев он читает лекции в Николаевской Морской Академии, а затем при содействии начальника Главного Гидрографического Управления А. И. Вилькицкого решает продолжить полярные исследования, приняв участие в готовящейся экспедиции по исследованию Северного Морского пути на ледокольных транспортах «Таймыр» и «Вайгач». Он был назначен командиром «Вайгача» и наблюдал за постройкой судна; в октябре корабли ушли на Дальний Восток через Индийский океан. 3 июля 1910 года они прибыли во Владивосток и до конца навигации совершили плавание к Берингову проливу и в Чукотское море, проведя комплекс научных исследований. В следующую навигацию «Таймыр» и «Вайгач» должны были пройти Северным Морским путём. Эта экспедиция состоялась, и во время неё было совершено крупнейшее географическое открытие XX века - открыта Земля Императора Николая II (впоследствии переименована большевиками в Северную), но Колчаку участвовать в этом уже не удалось: в конце 1910 года его вызвали в Петербург.

В столице Колчак занял ту же должность, что и перед своим отъездом - заведующего отделом Балтийского театра. Занимался он деталями судостроительной программы, разработкой нового типа кораблей, подготовкой флота в целом к будущей войне.

В 1912 году командующий Балтийским флотом, выдающийся моряк, адмирал Н. О. Эссен (Колчак знал его ещё по Порт-Артуру) рекомендовал ему перейти в действующий флот. Сам Колчак рассказывал в 1920 году: «Меня самого очень тяготило пребывание на берегу, я чувствовал себя усталым, и мне хотелось отдохнуть в обычной строевой службе, где всё же было легче». В 1912 году Колчак становится командиром эсминца «Уссуриец», год спустя получает чин капитана 1-го ранга, и Эссен назначает его флаг-капитаном (начальником оперативной части) Штаба Балтийского флота и одновременно командиром эсминца «Пограничник» - посыльного судна адмирала. В начале 1914 года Александр Васильевич занял должность флаг-капитана, на которой его и застала Великая война.

Естественно, что любая война - это трагедия. Но для Колчака как для военного моряка высочайшего класса это была и возможность проверки в действии всего того, над чем он так усиленно работал в мирное время. Именно поэтому, по его словам, «начало войны было одним из самых счастливых и лучших дней моей жизни».

Активных действий - крупных морских сражений между линкорами и крейсерами - на Балтике не велось: германский флот, основное внимание которого было сосредоточено на английских кораблях в Немецком море, здесь ограничивался лишь пассивным наблюдением. Зато именно на Балтийском театре русские моряки проявили себя как лучшие в мире минёры. Минные постановки начались ещё за день до официального объявления войны, и активное участие в планировании и проведении этих сложнейших операций принимал Колчак. В начале сентября 1915 года он был назначен исполняющим обязанности командующего Минной дивизией Балтийского флота, а с декабря вступил в эту должность на постоянном основании, будучи одновременно командующим морскими силами Рижского залива.

Во многих операциях Балтийского флота Колчак участвовал лично. Так, ещё в феврале 1915 года при его участии силами четырёх эсминцев в чрезвычайно тяжёлых условиях было поставлено минное заграждение в Данцигской бухте.

Осенью 1915 года тяжёлое положение сложилось на правом фланге ХII-й армии, особенно в районе мыса Рагоцен, где находился 20-й драгунский Финляндский полк и две ополченские дружины под командованием князя Меликова. В их распоряжении была лишь одна старая трёхдюймовая батарея и две шестидюймовые пушки Канэ с очень скудным запасом снарядов. Получив по телефону просьбу о помощи, Колчак сразу же, несмотря на неблагоприятные погодные условия и сложность навигационной обстановки в Моонзунде и Рижском заливе, принял решение о немедленном выходе кораблей в море. На поддержку вышли линкор «Слава», 9-й дивизион эсминцев и две канонерские лодки. Корабли подошли к мысу Рагоцен, и уже через три минуты после открытия ими огня князь Меликов сообщал по телефону: «Стрельба блестяща, всё бежит... дороги залиты кровью». А ещё через некоторое время с берега передали, что все назначенные для наступления рубежи заняты без выстрела.

В ночь с 8 на 9 октября был высажен десант у мыса Домеснес, оказавший, впрочем, главным образом моральное воздействие на противника. Долгое время биографы Колчака считали, что он был награждён орденом Святого Георгия IV-й степени именно за организацию этого десанта, однако, по свидетельству старшего лейтенанта Н. Г. Фомина, служившего в 1915-1916 годах в должности старшего флаг-офицера Штаба начальника Минной дивизии, всё обстояло несколько иначе. Высочайшее повеление о награждении Колчака было передано по телефону. Оно гласило: «Мне было приятно узнать из донесений командарма 12 [3] о блестящей поддержке, оказанной армии кораблями под Вашим командованием, приведшей к победе наших войск и захвату важных позиций неприятеля. Я давно был осведомлен о доблестной Вашей службе и многих подвигах. Применительно к статье 36 Георгиевского статута (статья о награждении артиллеристов, которые, находясь под сильным огнём наступающего неприятеля, заставят замолчать его артиллерию и будут способствовать переходу наших войск в наступление.
– Н. К.), награждаю вас Св. Георгием 4-й степени. Николай. Представьте достойных к награде». Как писал тот же Фомин, «ночью, когда Александр Васильевич заснул, мы взяли его тужурку и пальто и нашили ему Георгиевские ленточки, а утром прибыл из Ревеля миноносец Службы связи, с которым “всеведущий” Непенин (начальник службы связи Балтийского флота.
– Н. К.) прислал Колчаку снятый с себя свой Георгий».

В 1915 году Колчак был также удостоен ордена Святого Владимира III-й степени с мечами и подарка из Кабинета Его Императорского Величества, а 10 апреля 1916-го он был произведён в контр- адмиралы. Из операций 1916 года можно отметить набег на Норчепингскую бухту 13 июня, когда в результате атаки Отряда особого назначения в составе крейсеров «Рюрик», «Олег» и «Богатырь» и одиннадцати эсминцев был рассеян немецкий конвой, состоявший из 12-14 транспортов, и потоплен вспомогательной крейсер «Герман». 28 июня, неожиданно для себя, Александр Васильевич Колчак был произведён в вице-адмиралы и назначен командующим Черноморским флотом, заменив на этом посту адмирала А. А. Эбергарда. Случай, когда контр-адмирал с выслугой в два с половиной месяца был произведён в следующий чин, стал уникальным в истории Русского Флота и лишний раз показал, насколько выдающимся офицером был А. В. Колчак.

После получения нового назначения Колчак через Петроград проехал в Могилёв, где находилась Ставка Верховного Главнокомандующего. Адмирал совещался с Начальником Штаба Верховного, генералом М. В. Алексеевым, и самим Верховным Главнокомандующим - Государем Императором Николаем II - о планах войны, роли в ней Черноморского флота, подготовке операции по захвату Босфорского пролива.

В ночь с 6 на 7 июля Александр Васильевич вступил в командование флотом. Уже на рассвете следующего дня, подняв свой флаг на линкоре «Императрица Мария», он вышел в море на перехват германо-турецкого крейсера «Бреслау». Встретив «Бреслау», Колчак вступил с ним в бой и преследовал его до самого Босфора. Это был последний рейд вражеских кораблей на Черном море. Дальнейшая морская война свелась, как и на Балтике, преимущественно к минным постановкам. Во вражеских водах было выставлено более 2 000 мин, на которых подорвался ряд турецких кораблей, а остальной флот противника был блокирован и лишён возможности морских перевозок. Единственной крупной потерей с русской стороны была гибель, при невыясненных до сих пор до конца обстоятельствах, линейного корабля «Императрица Мария», взорвавшегося 7 октября на Севастопольском рейде.