В том же году Колчак вновь вернулся на военно-морскую службу и был назначен командиром эсминца «Уссуриец». Через год он был переведен на миноносец «Пограничник» на должность флаг-капитана оперативной части штаба командующего.
Первая мировая война выявила выдающиеся способности Колчака как военно-морского деятеля. Сразу же после начала боевых действий на Балтике он стал заниматься составлением диспозиций для боевых кораблей в целях защиты Балтийского побережья. Но действия флота, которым фактически руководил Колчак, носили не только оборонительный характер. В феврале 1915 года четыре миноносца под личным командованием капитана расставили в районе Данцига около 200 мин, на которых нашли свою гибель многие немецкие военные корабли. Летом того же года по инициативе Колчака были поставлены мины и в Рижском заливе. 
Осенью Колчак был назначен командиром минной дивизии и в боях за побережье Рижского залива применил на практике высадку морского десанта. За умелые и решительные действия против германского флота наградой Колчаку был орден Св. Георгия 4-й степени.
В июне 1916 года Колчак был произведен в контр-адмиралы и получил приказ отправиться в Севастополь и принять под свое командование Черноморский флот. Незадолго до своего отъезда с Балтики Колчак был произведен в вице-адмиралы. Черноморский флот не вел активных наступательных действий и ограничивался лишь обороной побережья. Колчак же решил изменить существующее положение. Корабли под личным командованием вице-адмирала начали выходить в открытое море и завязывать бои с кораблями противника. Новым для Черноморского флота стала постановка минных заграждений в Босфоре. Около шести вражеских подлодок подорвались на минах, установленных в проливе под руководством Колчака.
