Участник русско-японской войны 1904—1905 годов и Цусимского сражения 14 — 15 мая 1905 года. Через полтора часа после начала Цусимского боя, будучи раненным в голову, плечо и правое колено, взял командование крейсером 1-го ранга «Аврора» на себя. Днём 15 мая 1905 года командующий крейсерским отрядом контр-адмирал Энквист О. А. перешёл со своим штабом на «Аврору» и своим приказом пост-фактум назначил старшего офицера А. К. Небольсина командиром крейсера «Аврора». А. К. Небольсин успешно вывел крейсер в порт Манилу и тем самым спас его. За проявленные мужество и храбрость в Цусимском бою 18 июня 1907 года награждён орденом Св. Анны 2-й степени с мечами.