Одновременно с поисками Толля экспедиция Колчака решала и исследовательские задачи. По возвращении в Иркутск он составил предварительный отчет о ней.

Путешествия и наука могли стать главным жизненным призванием Колчака, если бы не русско-японская война, о которой он узнал по прибытии в Якутск в конце января 1904 года. Война началась внезапным ночным нападением японского флота на русскую эскадру в Порт-Артуре. Уже через день Колчак обратился к президенту Академии наук великому князю Константину Константиновичу с просьбой отчислить его в распоряжение военно-морского ведомства.

Перед отъездом на войну в Иркутске Александр Васильевич обвенчался с Софьей Федоровной Омировой, на 2 года моложе его, из дворян Подольской губернии (на Украине), воспитанницей Смольного института благородных девиц. Это была волевая женщина с независимым характером (во многом это в дальнейшем сказалось на ее отношениях с мужем). После венчания молодая жена в сопровождении свекра (отца Колчака) вернулась в Петербург, а муж в марте прибыл на войну, в Порт-Артур. Его сопровождал все тот же неизменный боцман Никифор Бегичев.

Сразу по прибытии Колчак явился к командующему флотом вице-адмиралу С.О. Макарову. А всего через несколько дней, 31 марта, он стал свидетелем гибели адмирала на подорвавшемся на мине и затонувшем флагманском броненосце «Петропавловск». Степана Осиповича Макарова Колчак считал своим учителем.

В Порт-Артуре он, пробыв недолго на крейсере «Аскольд», назначается командиром миноносца «Сердитый». За сравнительно недолгое время он успел отличиться: на поставленной экипажем его миноносца мине подорвался японский крейсер «Такосадо».

В начале осени, когда основные боевые действия разворачивались уже на суше, больной ревматизмом Колчак назначается на берег командиром батареи морских орудий.

После капитуляции Порт-Артура в канун нового 1905 года Колчак попал в плен. Война для него кончилась. В числе других пленных он был вывезен в Японию, в Нагасаки, а весной, еще до окончания войны, отпущен на Родину. В Петербурге медкомиссия признала его инвалидом и дала полугодичный отпуск для лечения на водах.

За героизм, проявленный на войне, Колчак был награжден золотой саблей с надписью «За храбрость» и боевыми орденами.

После лечения Колчак первым делом завершает работу над отчетом об обеих экспедициях и в январе 1906 года представляет его в Академию наук. Ее материалами живо интересовался сам президент Академии, великий князь Константин Константинович. Они оказались настолько богатыми, что для их изучения и обработки была создана специальная комиссия Академии наук, проработавшая до 1919 года.

Имя Колчака приобретает широкую известность в научных кругах. Русское географическое общество под председательством знаменитого академика П.П. Семенова-Тян-Шанского присваивает ему редкую награду – Большую Константиновскую золотую медаль. До него этой медали удостаивались лишь три маститых полярных путешественника, все трое – иностранцы: Ф. Нансен, Н. Норденшельд и Н. Юргенс. Исследования двух экспедиций легли в основу его капитальной научной монографии «Лед Карского и Сибирского морей», изданной Академией наук и в 1928 году переизданной Американским географическим обществом в сборнике «Проблемы полярных исследований», где были собраны работы свыше 30 наиболее известных полярных путешественников.

По существу, в этом фундаментальном труде Колчак заложил основы учения о морских льдах. Он открыл, что арктический ледовый пак совершает движение по часовой стрелке, причем «голова» этого гигантского эллипса упирается в Землю Франца-Иосифа, а «хвост» находится у северного побережья Аляски. Им был введен в научный оборот ряд новых океанологических терминов.

Уже в 1906 году, после представления Академии официального отчета об экспедициях, Колчак возвращается на военную службу. Горечь и потрясение, пережитые им и многими другими патриотически настроенными молодыми офицерами от разгрома и фактической гибели родного флота в минувшую войну, под Порт-Артуром и Цусимой, побудили их на основе собственного боевого опыта и с учетом уроков войны в целом к разработке программы возрождения флота и его коренной технической и организационной модернизации. Война с Японией преподнесла русским морякам жестокий урок, и лучшие из них не допустили того, чтобы этот урок прошел даром.

Одним из первых результатов настойчивых записок Колчака и его единомышленников стало создание в том же 1906 году Морского генерального штаба – специального органа по разработке оперативно-тактических, технических и организационных планов подготовки флота к войне. Наряду с ним, сохранился и Главный морской штаб, по-прежнему ведавший кадровым составом флота и административно-хозяйственными вопросами.

Сразу же после образования Морского генерального штаба Колчак, вскоре произведенный в капитаны 2-го ранга, получил назначение в него в качестве начальника статистического отдела. Вдруг он оказался, можно сказать, «не по чину», одной из ключевых фигур в деле разработки программы возрождения флота. Его талант засверкал новыми гранями. Как генератор идей и организатор он проявляет завидную энергию и оказывает большое влияние на офицерскую молодежь. Вокруг него группируется кружок единомышленников – молодых офицеров, прозванных в шутку «младотурками», который выступает вскоре с развернутой и обоснованной по всем статьям программой.

Параллельно капитан Колчак становится экспертом комиссии по обороне Государственной Думы, возглавляемой лидером партии октябристов, энтузиастом развития военной мощи России А.И. Гучковым, выступает с докладами в этой комиссии и в различных общественных собраниях.

Было ясно, что причиной трагедии русского флота в войне с Японией стала наша отсталость. Флот был большой, но корабли строились хаотично, без всякого плана, имели разнокалиберные орудия, слабую броню, плохо стреляли. В руководстве флота засели старые косные адмиралы, мыслившие отжившими категориями; по признанию самого Колчака, единственным светлым деятелем флота в доцусимский период был все тот же вице-адмирал С.О. Макаров. Боевая подготовка была очень слаба, далека от новых требований. Все эти обстоятельства и привели к трагедии Порт-Артура и Цусимы.

В Морском генштабе, который моряки сокращенно называли «Генмор», Колчак возглавлял комиссию по изучению военных причин цусимского разгрома. В частности, он пришел к выводу, что серьезной ошибкой русского командования было непринятие мер к нарушению радиосвязи у японцев, сыгравшей колоссальную роль в ходе боя.

Наиболее сложной проблемой после поражения в войне с Японией было восстановление материально-технической базы флота с использованием новейших достижений науки и техники в области кораблестроения, вооружения и технических средств. Но прежде надо было определить, какой флот нужен России. Единой точки зрения по этому вопросу не было. В печати и публичных выступлениях офицеров различных рангов высказывались диаметрально противоположные взгляды. Одни настаивали на приоритетном развитии стратегических, линейных сил флота, другие отдавали первенство минно-торпедным силам, третьи – строительству подводных лодок, четвертые вообще считали, что России, как континентальной державе, не нужен большой флот.

В противоположность сторонникам содержания для России лишь «малого» флота, достаточного для обороны побережий, Колчак выступает убежденным поборником строительства мощного линейного флота для выполнения самых широких стратегических задач.

С другой стороны, он не умалял и значения миноносного флота: русско-японская война показала, что он является грозным и мобильным оружием и может успешно применяться не только в оборонительных целях, но и в наступательных операциях. Это прекрасно понимал С.О. Макаров, который по праву считается основоположником тактики миноносного флота, и это хорошо усвоили его ученики и последователи Н.О. Эссен и А.В. Колчак, которые впоследствии, в Первую мировую войну, широко использовали минно-торпедное оружие на Балтийском и Черном морях для решения тактических, оперативных и стратегических задач. Любопытно, что среди тогдашних единомышленников Колчака были и такие офицеры, как будущий первый начальник морских сил Советской республики Альтфатер, будущий адмирал советского военно-морского флота Шталь.