По прибытии в Порт-Артур в середине марта Колчак попросил у командующего 1-й Тихоокеанской эскадрой вице-адмирала С. О. Макарова о назначении командиром миноносца, но Макаров определил его вахтенным начальником на крейсер «Аскольд», на котором он сам отдыхал и ночевал после каждого многотрудного дня, проведенного на броненосце «Петропавловск». Этим назначением командующий хотел предоставить лейтенанту возможность отдыха после полярной экспедиции и приблизить его к себе, чтобы познакомиться получше. Но уже 31 марта «Петропавловск» подорвался на японской мине, и Макаров погиб. А. В. Колчак 17 апреля был переведен на минный заградитель «Амур», а еще через четыре дня вступил в командование миноносцем «Сердитый». В июне он заболел воспалением легких и несколько месяцев пролежал в госпитале, а по выздоровлении до 2 ноября продолжал командовать миноносцем. После неудачной попытки прорыва русской эскадры из Порт-Артура 28 июля, в которой, впрочем, «Сердитый» не участвовал, корабли фактически оказались запертыми в гавани. Но и в этих условиях они продолжали причинять японцам ущерб. В частности, миноносец «Сердитый» участвовал в минных постановках, и на одной из «его» минных банок в ночь на 30 ноября подорвался, затонув на другой день, японский бронепалубный крейсер «Такасаго». За действия против неприятеля Колчак был награжден орденом Святой Анны IV-й степени с надписью «За храбрость». 2 ноября лейтенант перешел на сухопутный фронт, получив в командование батарею 47-мм и 120-мм орудий на северо-восточном участке обороны крепости.
20 декабря Порт-Артур был сдан неприятелю. У Александра Васильевича, который еще раньше был легко ранен, вдобавок обострился ревматизм – тяжелое последствие полярных экспедиций, и поэтому он был оставлен в порт-артурском госпитале на положении военнопленного. Оттуда вместе с другими пленными молодой офицер был отправлен в Дальний, а затем – в Нагасаки. В конце апреля 1905 года, отказавшись от предложения японского правительства безвозмездно воспользоваться лечебными учреждениями, Колчак вместе с группой морских офицеров вернулся в Петербург. После возвращения из плена его уволили в шестимесячный отпуск для лечения. А 12 декабря за отличия при обороне Порт-Артура он был награжден Золотой саблей с надписью «За храбрость» и орденом Святого Станислава II-й степени с мечами.
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. Причем восстанавливать и реформировать его необходимо было с учетом 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, причем офицеры Морского Генерального Штаба еще 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 произведенный 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 еще более популярным в морских офицерских кругах. 13 апреля 1908 года Колчак был произведен 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.