В 1851 году Семенов отправился в бассейны рек Оки и Дона, результатом чего явилось исследование «Придонская флора в ее отношениях с географическим распределением растений в Европейской России». Его труд оценили по достоинству, и Семенова возвели в степень магистра ботаники. Затем он поехал в путешествие по Европе и до 1855 года активно изучал географию и геологию в разных странах. Семенов обследовал Гарц, Альпы в Швейцарии и Италии, 17 раз поднимался на Везувий. Через некоторое время Русское географическое общество поручило Петру перевод работ немецкого географа Карла Риттера «Землеведение Азии» и, кроме того, давно назревала необходимость в экспедиции для исследования горной системы Тянь-Шаня. Это было давней мечтой Семенова. В силу поражения России в Крымской войне такое путешествие могло вызвать дипломатический скандал. «…так как такое намерение встретило бы сильное противодействие со стороны министерства иностранных дел, ревниво оберегавшаго азиатския страны, лежавшия за русскими пределами, от вторжения русской географической науки в лице русских путешественников в то время, когда Германия уже открыто, на глазах всего мира, снаряжала свою экспедицию в Центральную Азию…», – писал Семенов.
Петр Петрович приложил большие усилия для того, чтобы осуществить задуманное. В течение двух лет ученый посетил Алтай, Тарбагатай, Семиреченский и Заилийский Алатау, озеро Иссык-Куль: «Поездка на реку Чу успехом своим превзошла мои ожидания: мне не только удалось перейти Чу, но даже и достигнуть этим путем до Иссык-Куля, т. е. западной его оконечности, на которую еще не ступала нога европейца и до которой не коснулись никакие научные исследования». Путь Семенова с проводниками был не из легких: сопровождавший Петра казак лишился руки после схватки с тигром, а сам ученый чудом спасся при встрече с медведем. И это лишь малая часть опасностей, подстерегавших первопроходцев.
Семенов первым из европейских путешественников проник в Тянь-Шань и первым покорил Хан-Тенгри, высочайшую горную группу. Он шел по никому из европейцев не известному пути, где открыл обширную систему ледников. «Проникнуть в глубь Азии на снежные вершины этого недосягаемого хребта, который великий Гумбольдт, на основании… скудных китайских сведений, считал вулканическим, и привезти ему несколько образцов из обломков этого хребта, а домой – богатый сбор флоры и фауны новооткрытой для науки страны – вот что казалось самым заманчивым для меня подвигом», – Семенов опроверг гипотезу Александра фон Гумбольда о вулканическом происхождении Тянь-Шаня, открыл верховья Сырдарьи, начертил схему тянь-шаньских хребтов. В этой экспедиции он обследовал 23 горных перевала, определил высоту 50 вершин, собрал более 300 образцов горных пород, более 1000 видов растений, большую коллекцию насекомых и моллюсков. Из ста образцов, собранных путешественником, оказалось 11 ранее неизвестных науке.
Во время своих путешествий он сделал подборку по естественной истории и геологии России. Результаты его исследования в варианте краткого обзора опубликовали в «Записках Императорского Русского Географического Общества», некоторые материалы использовались при составлении дополнения к трудам Риттера и «Географическо-статистического словаря Российской империи», изданных Географическим обществом под руководством самого путешественника.
В 1858 году его пригласили внести свою лепту в подготовку крестьянской реформы: «Когда я через полвека вспоминаю, из чего слагалась моя деятельность в эпоху освобождения крестьян, я часто сам недоумеваю, откуда почерпал я силы для исполнения всех обязанностей, которые принимались мною на себя с таким беззаветным увлечением». Также Семенов активно участвовал в статистических работах. В 1864–1874 годах он руководил Центральным статистическим комитетом, а в 1874–1897 годах – Статистическим советом Министерства внутренних дел. За озвученный период он создал новую систему официальной статистики.
Чуть забегая вперед, можно отметить, что более сорока лет (1873–1914) Семенов возглавлял Русское географическое общество и более двадцати пяти лет – Русское энтомологическое общество (1889–1914). Именно с его помощью стали возможными экспедиции русских путешественников Н.М. Пржевальского, Г.Н. Потанина, Н.Н. Миклухо-Маклая и других. В 1882 году Петра Семенова назначили сенатором 2‑го департамента Правительствующего Сената. В этот же период его удостоили звания почетного члена Академии наук и Академии художеств. Семенов являлся большим ценителем искусства и собрал коллекцию картин фламандских и голландских художников XVI и XVII веков, вторую по количеству в Европе. Он издал большой труд «Этюды по истории нидерландской живописи». Позже он передал в Эрмитаж несколько сот картин и тысячи гравюр. Антиквар М.М. Савостин говорил: «Его коллекция картин голландской школы была настолько полна <…>, что художников, неизвестных даже в Голландии, можно было найти в его коллекции».