В 1926 году Пётр Петрович женится на своей сокурснице по социально-историческому факультету Ф.Е. Брук. Защитив кандидатскую диссертацию на Днепропетровской биостанции и получив рекомендацию, он в 1929 году переехал в Ленинград.
Официально являясь сотрудником Ботанического института вплоть до 1935 года, Пётр Петрович прирабатывал на биофаке Ленинградского университета, на Петергофской биостанции и в Арктическом институте. В 1932 году у молодых родился сын Роальд, но вскоре они разошлись. Причины развода не совсем ясные, но Фаина Евгеньевна до конца жизни сохраняла хорошие отношения с бывшим мужем. Она продолжала жить в их квартире при Ботаническом институте и преподавала английский язык в Высшем мореходном училище имени адмирала Макарова – кузнице многих советских полярников. Сын Роальд, названный в честь Амундсена, жил с матерью, после её смерти в 1956 году переехал в Москву, где работал в Институте прикладной геофизики Госкомгидромета СССР, руководимом папанинцем Е.К. Фёдеровым. Думается, Евгений Константинович сознательно помог сыну старого товарища, которого уже не было в живых. После кончины Роальд был похоронен в могилу отца на Новодевичьем кладбище.
…В двадцатые годы Ширшов специализировался на пресноводном фитопланктоне. Его первые научные работы в 1928 году посвящены реофильным водорослям рек Буг и Днепр. В Ботаническом институте он продолжил эту тему на реках Тулома и Нива, совершив поездку на Кольский полуостров, куда пригласил брата Дмитрия, который учился на заочном отделении Ленинградского политехнического института.
В течение лета братья обследуют реки Кольского полуострова. Потом Петра Петровича направили в Архангельск для участия в составлении гидробиологической карты Новой Земли. Это была первая его поездка в Заполярье, где он показал себя перспективным молодым исследователем, и его руководительница К.П. Гемп рекомендовала Ширшова гидробиологом в экспедицию, которая отправлялась на шхуне «Ломоносов» на Новую Землю и Землю Франца-Иосифа.
Шаг на Север, сделанный в 1930–1931 гг., показал П.П. Ширшову, что жизненный путь выбран правильно. Вся дальнейшая его работа была связана с изучением морского планктона высоких широт Арктики. Опыт участия в морской полярной экспедиции позволил Ширшову занять место в научной группе на ледокольном пароходе «Сибиряков», отправившимся в уникальный поход по трассе Северного морского пути. На его борту находилось 64 человека, в том числе 10 научных сотрудников и четверо пассажиров. Во главе экспедиции стоял профессор О.Ю.Шмидт, научной частью руководил В.Ю. Визе, капитаном был В.И. Воронин.
«Сибиряков» вышел из Архангельска 28 июля 1932 года. Миновав остров Диксон, подошли к Северной Земле. Используя карту, составленную санной экспедицией Ушакова-Урванцева, впервые в истории мореплавания обошли этот архипелаг с севера. Капитан возражал, но Шмидт и Визе не могли упустить такого случая.
Вспоминает журналист Б.В. Громов, участник похода на «Сибирякове»:
«Гидробиологи – Л.О. Ретовский и П.П. Ширшов – с головой ушли в ловлю планктона – мельчайших живых организмов, обитающих в воде.
– Для того, чтобы знать, есть ли в этом районе рыба и в каком количестве, говорил Ширшов, демонстрируя едва заметные невооруженному глазу призрачные существа – совсем не нужно её ловить. Достаточно поймать планктон, которым рыба питается, чтобы отметить, выгоден ли этот район для эксплуатации его рыбных богатств». (Громов, 1934).
Из мемуаров В.Ю. Визе:
«Вместе с гидрологами развернули свои работы биолог П.П. Ширшов и геолог В.И. Влодавец. С помощью трала, волочившегося по дну при очень медленном ходе судна, биолог собрал диковинных обитателей морского дна – ежей, звёзд, офиур, раков и множество других. В конусообразную сеть из шёлкового газа, так называемый «цеппелин», ловили планктон – мельчайшие взвешенные в воде организмы». (Визе, 1946).
В море Лаптевых начались осложнения. Пройдя бухту Тикси, пароход приблизился к Чукотке, где попал в ледовую ловушку. Прокладывали путь, взрывая перемычки аммоналом. В районе острова Колючин «Сибиряков» обломал все лопасти на винте. После невероятно тяжёлой перегрузки угля на бак удалось поднять корму над водой и поставить новые лопасти. Но через несколько дней обломился и утонул весь концевой конус гребного вала. Корабль лишился хода, но течение потихоньку потащило его к Берингову проливу. Соорудили временные паруса из трюмных брезентов и смогли выйти в Охотское море. Так завершилась эта экспедиция.
Дальше «Сибиряков» на буксире у траулера «Уссуриец» дошёл до Камчатки, а затем – на ремонт в японский порт Иокогаму. Все члены экипажа и научной группы были награждены орденами Трудового Красного Знамени.
Участие в этой экспедиции изменило жизнь Ширшова. В Токио он встретил Надежду Дмитриевну Теличеву, работавшую в Торгпредстве СССР. Через год она переехала к нему в Ленинград, а ещё через год родилась дочь Лора. Брак с первой женой Ф.Е. Брук распался.
Созданное после похода «Сибирякова» Главное управление Севморпути решило повторить плавание вдоль арктического побережья за одну навигацию, но использовать обычный грузовой, а не ледокольный пароход. Им стал «Челюскин», только что построенный на верфях Копенгагена в Дании. Предполагалось, что в трудных местах ему будет помогать ледокол «Красин». Помимо сквозного плавания, «Челюскин» должен был завезти строителей, продовольствие, топливо и новую смену полярников на остров Врангеля.
Во главе экспедиции вновь стал О.Ю. Шмидт, капитаном В.И. Воронин, старшим радистом Э.Т. Кренкель, гидробиологом П.П. Ширшов. «Челюскин» вышел из Ленинграда 16 июля 1933 года. Простояв несколько дней в Копенгагене для устранения выявленных недостатков, он обогнул Скандинавию и вышел в Баренцево море. В Мурманске на него погрузили снаряжение и отряд строителей для о. Врангеля. За проливом Маточкин Шар столкнулись с первыми льдами, которые преодолели с трудом. Стало ясно, что пароход не приспособлен для работы в ледовых условиях. Были получены первые повреждения в трюме.
Но самый тяжёлый участок экспедиции пришёлся на Чукотское море. 18 сентября пароход был зажат льдами, как и «Сибиряков», в районе острова Колючин. Начался дрейф к Берингову проливу. 10 октября достигли Уэлена, то есть практически выполнили основную задачу рейса. С мачты уже просматривалось свободное ото льдов Охотское море. Но в отличие от прошлого года, на завершающем участке не повезло. «Челюскин» оказался в полосе встречного течения и начался дрейф в обратном направлении (есть предположение, что в это время вблизи Японии произошло подводное землетрясение и волны «цунами» докатились до Берингова пролива).
