Осенью 1899 г. Колчак получил лестное предложение от известного полярного исследователя барона Э.В. Толля принять участие в экспедиции на север. Более двух лет изучала экспедиция Таймыр, остров Котельный, Новосибирские острова. На третий год пришла беда; Толль, ушедший с тремя провожатыми на север, пропал. В декабре 1902 г. Колчак возвратился в Петербург и доложил руководству Академии наук о результатах экспедиции. Было решено принять меры по розыску Толля, выполнение этой миссии возложили на Колчака.
Большую часть 1903 г. Колчак потратил на безрезультатные поиски Толля, во время которых он дошел до острова Беннетта. 30 января 1906 г. лейтенант Колчак А.В. за участие в экспедиции Толля и поход на остров Беннетта был удостоен высшей награды русского географического общества — Большой золотой Константиновской медали. Возвращаясь из экспедиции, лейтенант Колчак А.В. 6 декабря 1903 г. вместе со встречавшей его в далеком Усть-Янске невестой Софьей Фёдоровной прибыл в Иркутск. В Иркутске Колчак выступил с отчетом о полярной экспедиции. Здесь же он обвенчался со своей невестой.
1904 год. Русско-японская война. Колчак подает рапорт о назначении его в действующую армию. С разрешения Главного морского штаба он отправляется в Порт-Артур в распоряжение командующего Тихоокеанским флотом вице-адмирала С.О. Макарова. Служил вахтенным начальником на крейсере «Аскольд», артиллерийским офицером на минном транспорте «Амур», был командиром эсминца «Сердитый», а при обороне Порт-Артура командовал береговой батареей. На поставленных под руководством Колчака минах подорвался крейсер «Такосого». За отличия в японской кампании он был награжден орденом Святой Анны 4-й степени за храбрость, орденом Святого Станислава 2-й степени с мечами и Георгиевским оружием — золотым кортиком с надписью «За храбрость». В 1906–1914 гг. Колчак служил в Морском Генштабе, где занимался восстановлением и развитием российского флота.
В годы первой мировой войны А.В. Колчак сначала возглавлял оперативный отдел Балтийского флота, командовал минной дивизией, затем в 1916 г. получил чин вице-адмирала и стал командующим Черноморского флота. Февральскую революцию, покончившую с царской монархией, Колчак воспринял как тяжелый кошмар. Поэтому все свои силы направил на то, чтобы не допустить революционизирования Черноморского флота. 18 июня 1917 г. он отдал приказ о расформировании революционно настроенных команд броненосцев «Синоп» и «Три святителя». Приказ вызвал угрозу восстания моряков, и Колчак был вынужден сдать командование флотом.
