Один из начальников молодого Колчака, будущий адмирал Г.Ф. Цывинский вспоминал о нем в эти годы: «Это был необычайно способный и талантливый офицер, обладал редкой памятью, владел прекрасно тремя европейскими языками, знал хорошо лоции всех морей, историю всех почти европейских флотов и морских сражений»[3]
.Знакомство в 1899 году с прославленным флотоводцем и ученым вице-адмиралом С.О. Макаровым, уходившим в плавание на ледоколе «Ермак» в Северный Ледовитый океан, послужило для Александра Колчака толчком к мечте о полярных путешествиях. В том же году он неожиданно получает предложение из Академии наук от известного полярника барона Эдуарда Васильевича Толля принять участие в организуемой им арктической экспедиции для исследования земель к северу от берегов Сибири, где предполагалось в те годы существование большой «Земли Санникова». Оказывается, работы молодого лейтенанта в журнале «Морской сборник» обратили на себя внимание барона.
Вопрос о временном переводе с военной службы в распоряжение Академии наук был благополучно решен – в те времена для моряков это было явлением нередким. Барон Толль предложил лейтенанту руководить гидрологическими работами и по совместительству быть вторым магнитологом. Готовясь к экспедиции, Александр Васильевич некоторое время стажировался в Норвегии у знаменитого полярного путешественника Фритьофа Нансена.
Летом 1900 года экспедиция на шхуне «Заря» двинулась из Кронштадта по Балтийскому и Немецкому (Северному) морям через Ледовитый океан к берегам Таймырского полуострова. В своих отчетах об экспедиции барон Толль писал, что молодой Колчак «любовно предан своей гидрологии». Увековечивая заслуги Колчака, Толль назвал его именем открытый путешественниками остров близ побережья Таймыра (переименованный советскими властями в 1937 году в остров Расторгуева; лишь в 2005 году ему было возвращено историческое название). Именем своей невесты и будущей жены Колчак назвал открытый им мыс Софьи; этот мыс сохранил свое название.
Не найдя «Землю Санникова» (основные достижения экспедиции свелись к уточнению очертаний полуострова Таймыр, подробному описанию его побережья и открытию отдельных островов вдоль него, что послужило началом комплексного исследования арктических морей и суши), экспедиция в мае 1902 года разделилась на три группы. Поскольку из-за плотных льдов не удалось пройти к северу от Новосибирских островов на шхуне, весной 1902 года Толль принял рискованное решение с тремя спутниками пробиваться пешком на лыжах через остров Беннета. Вторая группа во главе с биологом А.А. Бялыницким-Бирулей направилась к острову Новая Сибирь, а третья во главе с Ф.А. Матисеном и А.В. Колчаком осталась на шхуне «Заря» (на которой до этого проходила вся экспедиция) у острова Котельный для продолжения исследований на месте, готовая выйти на помощь остальным группам, если те не вернутся в скором времени.
В августе «Заря» вышла на поиски ушедших товарищей, от которых не поступало известий, но не сумела пробиться сквозь льды. В соответствии с инструкцией Толля на этот случай она вернулась в бухту Тикси на материк. Прибыв в Петербург в декабре 1902 года, Матисен и Колчак отчитались перед Академией наук о работе экспедиции и предложили организовать специальную спасательную экспедицию на поиски пропавшего Толля, от которого никаких сведений не поступало (группа Бирули самостоятельно добралась до материка).
Спасательную экспедицию, продолжавшуюся 7 месяцев на санях и на вельботе, организовал и возглавил весной 1903 года А.В. Колчак. Ближайшими его помощниками стали участник экспедиции Толля боцман Бегичев и политический ссыльный студент Оленин. В бухте Тикси близ устья Лены Колчак нанял группу туземцев – якутов и тунгусов (еще ранее к ним присоединились несколько архангельских поморов). В июле экспедиция из 17 человек с 10 нартами и вельботом, имея 3-месячный запас провизии, прибыла к Ледовитому океану. Дождавшись его частичного вскрытия, Колчак и его товарищи то под парусами, то работая веслами, то впрягаясь в лямки и перетаскивая нагруженное судно по льду, добрались за несколько недель до острова Беннета.
Здесь, у мыса Эммы, они нашли в камнях бутылку с записками, планом острова и указанием местоположения стоянки Толля. При переходе Колчак провалился в ледяную полынью. Тяготы полярных путешествий всю жизнь потом сказывались на его здоровье: их последствиями стали острый ревматизм и цинга (по воспоминаниям близко знавших его людей, к 1919 году у адмирала почти не осталось собственных зубов).