Правда, непосредственные руководители более чем скромно оценили заслуги участников экспедиции. За это рискованное предприятие, исполненное на пределе человеческих возможностей, участники его были отмечены всего лишь медалями.
26 января 1904 года А. В. Колчак прибыл в Якутск, где он узнал о начале войны между Россией и Японией. С телеграфного разрешения Морского министерства и с согласия Академии наук Александр Васильевич направился в Иркутск для дальнейшего следования в Порт-Артур.
В Порт-Артур лейтенант Колчак прибыл 17 марта 1904 года. Там он был назначен вахтенным начальником на крейсер «Аскольд». В этот день пять вражеских пароходов (брандеров), груженных камнем, под прикрытием 12 миноносцев направились к Порт-Артуру. В 3 часа утра они были обнаружены прожектористами Тигрового полуострова и обстреляны батареями правого фланга, а также орудиями с броненосца «Ретвизан».
Важное значение для успешных действий береговой артиллерии Порт-Артура имело четкое взаимодействие между кораблями и орудиями батарей крепости и побережья. Для решения этого вопроса по приказанию адмирала Макарова на береговые батареи были направлены сигнальщики, которые поддерживали связь, помогали артиллеристам опознавать японские корабли. Специальной инструкцией, разработанной по его указанию А. В. Колчаком, определялся характер действий кораблей и береговой артиллерии по охране внешнего рейда.
Вскоре Александр Васильевич был назначен командиром эсминца «Сердитый». Под его командованием была поставлена к югу от устья Амура минная банка, на которой подорвался японский крейсер «Такасаго».
В воспоминаниях контр-адмирала С. Н. Тимирева говорится, кстати, о плане экспедиции для прорыва блокады Порт-Артура с моря и активизации действий против японских транспортов в Желтом море и на Тихом океане, в разработке которого участвовал и Колчак. Однако сменивший погибшего С. О. Макарова адмирал В. К. Витгефт отменил реализацию плана.
Эсминец «Сердитый» провел ряд смелых атак на японские корабли, пытавшиеся подойти к Порт-Артуру. Успешные действия «Сердитого» были замечены командованием. Лейтенант А. В. Колчак был награжден орденом Св. Анны 4-й степени с надписью «За храбрость», носившимся на морском кортике, в связи с этим получившим название Св. «Анненское оружие».
С гибелью Степана Осиповича Макарова активные действия русского флота, базировавшегося в Порт-Артуре, фактически прекратились. Командование эскадрой принял на себя Алексеев, сразу же отказавшийся от всякой борьбы за инициативу на море.
Началась героическая сухопутная защита Порт-Артура. Колчак был назначен командиром батареи 47– и 120-миллиметровых орудий в секторе Скалистых гор на северо-восточном участке обороны.
25 июля началась бомбардировка Порт-Артура. 6 августа последовал первый штурм крепости. Находясь на наблюдательном пункте, Александр Васильевич Колчак видел, как вслед за огнем артиллерии японская пехота густыми цепями устремилась в атаку. Русские открыли ответный огонь. С огромными потерями враг сумел выйти к проволочным заграждениям. Однако попытка приблизиться к фортам и редутам не увенчалась успехом. Затем последовали вторая, третья и четвертая атаки, которые существенно не изменили обстановку. По оценке Н. А. Левицкого, общие потери японцев на 11 августа под Порт-Артуром достигли 20 тысяч человек, русских – 6 тысяч человек.
6 сентября начался второй штурм Порт-Артура, 17 октября – третий. Положение русских усугублялось тем, что долговременные укрепления Порт-Артура были рассчитаны на снаряды не выше 6-дюймового калибра. Несколько снарядов разорвалось на огневых позициях орудий батареи Колчака. Из строя вышли три 47-мм пушки, погибли три солдата, семь человек получили ранения.
19 декабря после ожесточенного боя, продолжавшегося более девяти часов, японцы овладели Большим Орлиным гнездом. В итоге защитники Порт-Артура потеряли ряд ключевых укреплений. После этого начальник Квантунского укрепленного района генерал Стессель, проявив малодушие, немедленно направил в штаб японской армии своего парламентера. Вечером следующего дня полковник Рейс по поручению Стесселя подписал акт о капитуляции Порт-Артура. На следующий день А. В. Колчак записал в своем дневнике: «Редко кое-где слышны отдельные ружейные выстрелы или отдельные удары взрывов. Порт и город скрылись в густом тумане и дыме горящих судов. Получено вторичное приказание ни под каким видом не открывать первыми огня – очевидно, японцы получили такое же приказание… После полудня стоит мертвая тишина – первый раз за время осады Артура. Вскоре показался перед входом во внутренний рейд «Севастополь». Он стал тонуть, через пять минут исчез под водой. Суда взорвали… Вечером нас известили, что крепость сдалась. Мы получили приказание ничего более не взрывать и не портить… Флот не существует – все уничтожено, вход в гавань прегражден затопленными мелкими судами, кранами и землечерпальными машинами».
329 дней гарнизон Порт-Артура мужественно отражал удары многократно превосходящих сил противника. Проявив непоколебимую стойкость, воинское мастерство, защитники крепости почти на 11 месяцев сковали под ее стенами крупную группировку вражеских войск, насчитывавшую до 200 тысяч человек, а также основные силы японского флота, тем самым оказывали большое влияние на общий ход боевых действий в Маньчжурии. В боях за Порт-Артур неприятель потерял безвозвратно свыше 110 тысяч человек, 15 боевых кораблей. Потери русских войск убитыми и ранеными исчислялись в 27 тысяч солдат и офицеров. Японцы взяли в плен свыше 30 тысяч русских солдат и офицеров. Им было передано 530 орудий, 35 тысяч винтовок, оставшиеся в крепости боеприпасы и запасы продовольствия.
Сразу же после капитуляции Порт-Артура Колчак лег в госпиталь из-за «боли в суставах». Но японцы подняли его с постели и вместе с другими защитниками отправили в лагерь для военнопленных в Нагасаки. Там японское командование предложило больным и раненым пленным пользоваться лечебными учреждениями Японии или же через Соединенные Штаты Америки возвратиться на Родину.
А. В. Колчак избрал второй вариант. Его мужественные действия во время Русско-японской войны были отмечены орденами Св. Анны 4-й степени и Св. Станислава 2-й степени с мечами, а также Золотой саблей с надписью «За храбрость». В 1906 году Колчак получил серебряную медаль «Памяти Русско-японской войны», а в 1914 году – нагрудный знак «Защитник Порт-Артура».
После Русско-японской войны А. В. Колчак продолжил службу на Балтийском флоте. В апреле 1912 года он вступил в должность командира эскадренного миноносца «Уссуриец», который входил в состав 1-й минной дивизии. В марте 1913 года он, по предложению адмирала Н. О. Эссена, принял в командование эсминец «Пограничник». Миноносец был однотипный с «Уссурийцем», но с той лишь разницей, что на нем часто держал свой флаг командующий флотом. В течение лета 1913 года боевая подготовка на Балтике проводилась в соответствии с «Планом операций морских сил Балтийского моря» 1912 года, в котором на случай войны флоту выдвигалась главная задача: защитить Петербург с моря, не допустить высадки десанта. Для обеспечения успешного решения этой задачи предусматривалось создание минно-артиллерийской позиции, первоначально гогландской, а затем нарген-поркалаудской, получившей название центральной. Предполагалось оказать упорное сопротивление на такой заранее подготовленной позиции и не допустить прорыва противника в восточную часть залива.