В возрасте 34 лет он вышел в отставку с чином статского советника, затем путешествовал более года по Европе, после чего вернулся в Россию и посвятил себя в основном занятию наукой и отчасти – благотворительности. Занимаясь наукой (прежде всего вопросами естествознания, в том числе минералогией, ботаникой, зоологией, связанным с ними горным делом, а также философией и искусством), П.Г. Демидов по разным вопросам написал порядка 20 рукописных научных сочинений, 14 из них были изданы на французском языке в Москве в 1806 г. П.Г. Демидов стал щедрым и заботливым меценатом. Он обратился к императору Александру I с прошением об учреждении в Ярославле «училища, которое имело бы одинаковую степень с университетами и все преимущества оного», для чего пожертвовал 3578 душ крепостных, а также 100 000 рублей ассигнациями (огромная по тем временам сумма). Все было выполнено, как хотел Демидов. В 1805 г. был утвержден устав ярославского Демидовского высших наук училища, которое торжественно открыли в апреле этого года. Демидов также пожертвовал 100 000 рублей Московскому университету и по 50 000 на Киевский и Тобольский университеты, когда они будут открыты. Демидов подарил Московскому университету свою большую библиотеку и все свои коллекции по отделам естествознания, нумизматике, художествам. Демидов был женат на княжне А.Н. Сибирской, рано овдовел, детей не имел. Он был обделен радостями семейной жизни и отцовства, хотя осознавал, что семейная жизнь, требующая сил, времени, средств, умалила бы его возможности для занятий наукой. В любом случае одиночество обострило его стремление к занятию наукой. Последние годы он жил под Москвой, в своем имении Леоново (теперь в черте столицы). Демидов при его богатствах всегда жил относительно скромно, разумно и умеренно питался, жизнь вел весьма воздержанную. В знакомствах был очень разборчивым, уважал людей не по чинам, родству, богатству, а по их уму, знаниям, честным правилам жизни (которые сам строго соблюдал). Он не устраивал роскошных обедов для гостей и балов, был врагом показухи и роскоши, по нескольку лет носил одну и ту же одежду, своим дворовым людям выделял умеренное содержание (чтобы они не предавались гибельной праздности от чрезмерно обеспеченной жизни у хозяина и работали бы для себя, в своем хозяйстве), поэтому его многие считали скупым и негостеприимным. Он не терпел пустые разговоры с соседями, набивавшимися к нему в друзья и гости.