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 путем. Эта экспедиция состоялась, и во время нее 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 еще 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 все 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 минеры. Минные постановки начались еще 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, еще в феврале 1915 года при его участии силами четырех эсминцев в чрезвычайно тяжелых условиях было поставлено минное заграждение в Данцигской бухте.
Осенью 1915 года тяжелое положение сложилось на правом фланге XII-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 трехдюймовая 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, все бежит… дороги залиты кровью». А еще через некоторое время с берега передали, что все назначенные для наступления рубежи заняты без выстрела.