Петр многому научился в своем первом путешествии. Он вел глазомерную съемку, определял высоты, помогал Пржевальскому при сборе зоологических и ботанических коллекций.
Вернувшись из экспедиции в Петербург, Козлов по совету своего учителя поступил в военное училище. После его окончания Петр Кузьмич, уже в чине подпоручика, был снова зачислен в состав новой экспедиции Пржевальского.
Во время подготовки к походу в городе Караколе 1 ноября 1888 года Пржевальский скончался от брюшного тифа.
Козлов решил продолжить дело Пржевальского. Исследование Центральной Азии стало для него главной целью всей жизни.
Экспедицию, собранную Пржевальским, возглавил полковник Генерального штаба Певцов. Под его началом Козлов в 1889–1891 годах вновь прошел по северному Тибету, посетил Восточный Туркестан и Джунгарию. Он совершил несколько самостоятельных поездок. Перевалив через Русский хребет, он обнаружил за ним межгорную впадину, а в ней на высоте 4258 метров – небольшое озеро. По долине речки, впадающей в это озеро, Козлов прошел к ее верховьям вдоль подножия Русского хребта и с перевала Джапакаклык увидел восточную оконечность хребта. Вместе с Роборовским он установил длину Русского хребта (около 400 километров) и завершил его открытие. Позднее Козлов исследовал вторую блуждающую реку бассейна Лобнора – Кончедарью и озеро Баграшкуль. Козлов вел наблюдения над животным миром, собирал зоологическую коллекцию. За эти исследования его удостоили высокой, незадолго до того учрежденной награды – серебряной медали Пржевальского…
Потом была третья экспедиция Петра Кузьмича, которую называли не иначе как «экспедицией спутников Пржевальского». Руководителем ее был Всеволод Иванович Роборовский.
В июне 1893 года путешественники выступили из Пржевальска на восток и прошли вдоль Восточного Тянь-Шаня, следуя через наименее исследованные местности. Спустившись затем в Турфанскую впадину, Роборовский и Козлов пересекли ее в различных направлениях. Разными путями они прошли оттуда в бассейн реки Сулэхэ, в поселок Дуньхуан (у подножия Наньшаня). Козлов двинулся на юг, к низовьям Тарима, и изучил котловину Лобнора. Он открыл высохшее древнее русло Кончедарьи, а также следы древнего Лобнора в 200 километрах к востоку от тогдашнего его местонахождения и окончательно доказал, что Кончедарья – блуждающая река, а Лобнор – кочующее озеро.
В феврале 1894 года путешественники приступили к исследованию Западного Няньшаня. Разными маршрутами в течение 1894 года они пересекли его во многих местах, проследили ряд продольных межгорных долин, точно установили протяженность и границы отдельных хребтов, исправив, а нередко и сильно изменив карты своих предшественников. Зимой, намереваясь пройти через высокогорную страну на юго-восток, в Сычуаньскую впадину, они при морозах до 35° достигли к югу от Кукунора, за 35-й параллелью, хребет Амнэ-Мачин (до 6094 метров) и перевалили его диким скалистым ущельем.
В глубине Центральной Азии, на Тибетском нагорье, Роборовского разбил паралич, и через неделю, в феврале 1895 года, Козлов, принявший руководство экспедицией, повернул обратно. Вернувшись в Турфанскую впадину, они направились на северо-запад и впервые пересекли пески Дзосотын-Элисун. Вместо многих кряжей, показанных на старых картах, Козлов обнаружил пески Коббе. Закончив свой путь в Зайсане в конце ноября 1895 года, Роборовский и Козлов проделали в общей сложности около 17 тысяч километров.
Во время этой экспедиции Петр Кузьмич совершил 12 самостоятельных маршрутов. В собранной им зоологической коллекции были три редких экземпляра шкур диких животных. Козлов делал преимущественно энтомологические сборы, собрав около 30 тысяч экземпляров насекомых.
Путешествие в Центральную Азию (1899–1901) было его первой самостоятельной экспедицией. Она называлась Монголо-Тибетской: ее можно определить как географическую, в отличие от двух следующих, в основном археологических. В середине лета 1899 года экспедиция проследовала от границы вдоль Монгольского Алтая к озеру Орог-Нур и при этом провела подробное исследование этой горной системы. Козлов и его спутники, ботаник Вениамин Федорович Ладыгин и топограф Александр Николаевич Казнаков, выяснили, что главный хребет простирается на юго-восток в виде единой горной цепи, постепенно понижающейся, и заканчивается хребтом Гичгэнийн-Нуру, а далее тянется Гобийский Алтай, состоящий лишь из цепи небольших холмов и коротких низких отрогов. Затем они разными путями пересекли пустыни Гоби и Алашань; соединившись, поднялись на северо-восточную окраину Тибетского нагорья, обошли с севера страну Кам, расположенную в верховьях рек Янцзы и Меконг.
В высокогорной стране Кам их поразило необычайное богатство растительности и разнообразие животного мира. Путешественники встретили новые, неизвестные науке экземпляры.
Козлов открыл четыре параллельных хребта юго-восточного направления: на левом берегу Янцзы – Пандиттаг, на правом – Русского географического общества – водораздел между верхней Янцзы и Меконгом, на правом берегу Меконга – хребет Вудвилл-Рокхилла, южнее – Далай-Ламы – водораздел бассейнов верхнего Меконга и Салуина.
На обратном пути после подробной описи озера Кукунор путешественники снова пересекли пустыни Алашань и Гоби. 9 декабря 1901 года достигли Кяхты.
Путешественники собрали ценный материал. Геологическая коллекция содержала 1200 образцов горных пород, а ботаническая – 25 тысяч экземпляров растений. В зоологической коллекции находилось восемь неизвестных науке птиц.
После этого путешествия имя Козлова становится широко известным. Русское географическое общество удостаивает его одной из самых почетных наград – Константиновской золотой медали. Помимо крупных географических открытий и великолепных коллекций – ботанической и зоологической, им были изучены малоизвестные и даже совсем неизвестные восточно-тибетские племена, населяющие верховья Хуанхэ, Янцзыцзян и Меконга. Эта экспедиция описана Козловым в двухтомном труде «Монголия и Кам», «Кам и обратный путь».
Козлов начал подготовку к следующей экспедиции.
Его давно влекла тайна мертвого города Хара-Хото, затерянного где-то в пустыне, и тайна народа си-ся, с ним вместе исчезнувшего. 10 ноября 1907 года он отправился в так называемую Монголо-Сычуаньскую экспедицию. Помощниками его были топограф Петр Яковлевич Напалков и геолог Александр Александрович Чернов. Следуя от Кяхты через пустыню Гоби, они перевалили Гобийский Алтай и вышли в 1908 году к озеру Сого-Нур, в низовьях правого рукава реки Жошуй (Эдзин-Гол).
Повернув на юг, Козлов через 50 километров открыл развалины Хара-Хото, столицы средневекового тангутского царства Си-Ся (XIII век).
