19 февраля 1904 года назначен военным губернатором Кронштадта, а 10 мая — главным командиром флота и портов, начальником морской обороны Балтийского моря (в 1905 году переименован в командующего Балтийским флотом). Вместе с этим назначением на него была возложена задача по вооружению, подготовке и снабжению отправляемых на войну эскадр адмиралов З. П. Рожественского и Н. И. Небогатова. Наспех импровизированные, эти эскадры были снабжены и укомплектованы так же наспех и случайно. Ввиду приближения эскадр к театру военных действий и указаний адмирала Рожественского на своё болезненное состояние, Бирилёв был назначен 8 мая 1905 года командующим флотом Тихого океана и прибыл во Владивосток, но после Цусимского сражения и гибели в нём русского флота возвращён в Петербург.