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.
Депутат Государственной думы Савич вспоминал: «Моряки Балтики активно готовились к войне… Работа кипела по подготовке личного состава, и по подготовке театра войны, и, особенно, по разработке основных идей возможной борьбы. Приятно было видеть эту дружную семью, окружающую любимого и уважаемого адмирала Эссена такою бодрою, такою решительною, такою радостною возможностью жертвенного подвига.
Среди этого кружка лиц – мозг нашего Балтийского флота – я встретил, опять на первых ролях, капитана 1 ранга А. В. Колчака. Он работал больше всех, был душою и мозгом оперативного отдела штаба. И в дружеских интимных беседах в каюте адмирала, где говорили и спорили после еды офицеры его штаба… голос Колчака звучал наиболее веско, с его мнением больше всего считались, он опять пользовался всеобщим уважением и авторитетом. Видно было, что им гордятся, им восхищаются.