Вернувшись в Петербург, он активно участвует в подготовке к изданию карты Европейской России и Кавказа, редактирует фундаментальный «Географическо-статистический словарь» и пишет для него важные статьи; разрабатывает проект Всероссийской переписи населения (1897 г.), возглавляет Русское Географическое общество. При непосредственном участии П. П. Семенова было организовано и осуществлено много крупных экспедиций: Н. М. Пржевальского, Г. Н. Потанина, П. К. Козлова.

В 1899 году выходит в свет первый том многотомного детального географического описания страны «Россия. Полное географическое описание нашего отечества», в подготовке которого участвовал П. П. Семенов со своим сыном. Из планировавшихся 22 томов удалось издать только 13, но и в незавершенном виде этот фундаментальный труд остается непревзойденным.

В 1906 году исполнилось 50 лет со времени первого путешествия П. П. Семенова на Тянь-Шань. В специальном указе сообщалось, что «отныне ему и нисходящему потомству дозволено впредь именоваться Семеновым-Тянь-Шанским».

Он завершил свой путь всемирно известным ученым. Более 60 академий Европы и России избрали Семенова Тянь-Шанского своим почетным членом. Его имя увековечено в 11 географических названиях в Азии, Северной Америке и на Шпицбергене, а одна из вершин Монгольского Алтая носит имя «Петр Петрович».

Случайное воспаление легких 26 февраля 1914 года свело ученого и путешественника в могилу.