Школа была окончена в 1845 г. Экзамены Пётр Петрович выдержал превосходно, в формуляре поименован «отличнейшим» и первым занесен на мемориальную доску. Военная карьера не привлекала П.П. Семенова. Он поступил в университет на физико-математический факультет.

Со многими из профессоров у Петра Петровича установилась дружба, сохранившаяся на долгое время после окончания университета. Близким товарищем Семенова в эти годы был Н.Я. Данилевский, сотрудник «Отечественных записок»: они вместе жили, вместе учились, вместе бывали на различных собраниях молодых ученых.

Уже в годы своей юности, будучи в университете, П.П. Семенов с увлечением отдавался занятиям географией. Как раз в это время в 1845 г. возникло Русское географическое общество. В 1849 г. Семенов избирается в члены Общества: сперва ему поручается заведывание библиотекой, но уже в мае 1850 г. он оказывается избранным в секретари Отделения физической географии.

Задачи, стоявшие перед обществом, были обширны и многообразны. Став секретарем Отделения физической географии, Семенов принял деятельное участие в подготовке новых крупных экспедиций, задуманных Обществом: снаряжении и составлении планов, разработке программ научных исследований.

В мае 1849 г. Семенов сам отправился вместе с Данилевским в экспедицию по черноземной полосе Европейской России. Надлежало определить ее границы, изучить растительность и произвести анализы почв. Частью пешком, частью верхом двигались они по лесам и полям Рязанской, Тульской, Орловской губерний.

На основе собранного материала Семеновым была написана магистерская диссертация «Придонская флора в ее отношении к растительности Европейской России».

Наступившая зима была для Петра Петровича заполнена не только подготовкой к магистерской диссертации. Он был привлечен к участию в новом предприятии Географического общества – к переводу многотомного труда Карла Риттера «Землеведение Азии».

Защита диссертации на степень магистра естественных наук почти совпала по времени с другим крупным событием в жизни Петра Петровича: с его женитьбой на Вере Александровне Чулковой. В ноябре 1852 г. у них родился сын Дмитрий. Но, едва оправившись от родов, Вера Александровна заболела скоротечной чахоткой. Болезнь развивалась стремительно и неотвратимо: через два месяца Вера Александровна скончалась.

Несчастье чрезвычайно глубоко потрясло Петра Петровича. Он сам тяжко заболел. Для окончательного выздоровления врачи требовали поездки за границу. Пётр Петрович уехал в Европу.

Еще до болезни у Петра Петровича зародилась смелая мысль о путешествии в неведомый для науки того времени Тянь-Шань.

Когда Пётр Петрович направился за границу, мысль о путешествии в Тянь-Шань вспыхнула в его сознании с новой силой.

К началу летнего семестра Пётр Петрович прибыл в Берлин и зачислился в студенты университета. Лекции, которые он посещал, должны были способствовать подготовке его к задуманному путешествию во Внутреннюю Азию; поэтому главное внимание было им обращено на географию и геологию. Геологию читали тогда известные профессору Бейрих и Розе; последний был спутником Гумбольдта в его азиатской экспедиции. Географию же читал престарелый Карл Риттер, чье «Землеведение Азии» Семенов уже начал переводить на русский язык.

В университете Пётр Петрович подружился с будущим знаменитым путешественником по Китаю Рихтгофеном, а также с братьями Шлагинтвейтами Адольфом и Германом, будущими исследователями Гималаев и Каракорума. Своим проектом путешествия в загадочные «Небесные горы» – Тянь-Шань – Семенов так увлек своих друзей, что Рихтгофен решил достигнуть Тянь-Шаня с востока, со стороны Китая, а Адольф Шлагинтвейт – с юга, из Индии.

В это же время состоялось знакомство Семенова с «отцом современной географии» – Александром Гумбольдтом. Он заинтересовался проектом Семенова в высшей степени, хотя и сомневался в возможности его осуществления.

С целью подготовки самого себя к экспедиции в высокогорные районы Тянь-Шаня Семенов предпринял пешеходное путешествие по Швейцарии, в Альпах. Затем он направился в Италию. Неаполь был крайним пунктом в путешествии Семенова по Европе, отсюда, через Венецию, Вену, Прагу, Дрезден и Берлин, он направился в Россию.

Весной 1855 г. он возвратился в Петербург. Предстояло закончить издание перевода Риттеровой «Азии» и приступать к практической подготовке путешествия в Тянь-Шань.

Семенов, не сообщая никому о своей твердой решимости проникнуть в Тянь-Шань, заявил в Географическом обществе, что для составления дополнений к следующим переведенным им томам Риттеровой «Азии» ему необходимо посетить Алтай и некоторые местности Средней Азии, которые описаны Риттером. Получив поддержку от руководителей Общества, Семенов весной 1856 г. выехал в далекое путешествие.

Во время краткого пребывания в Омске он познакомился с двумя молодыми офицерами, ставшими в дальнейшем его близкими друзьями. Из одного из них, Г.М. Потанина, под руководством Семенова выработался крупный ученый, известный как путешественник и исследователь Сибири и Центральной Азии. Другой – Ч.Ч. Валиханов, родом казах, под влиянием Семенова также стал выдающимся путешественником и ученым.

Из Омска через Барнаул, Семипалатинск и Аягуз Семенов направился к Заилийскому Алатау.

В августе 1856 г. он достиг укрепления Верного. Отсюда, собственно, и начинался неисследованный край. Terra incognita – так называли географы Центральную Азию. Одной из величайших горных систем в пределах этой «неизвестной земли» был загадочный Тянь-Шань.

Через два дня после прибытия в Верное с отрядом из 30 человек Семенов направился через горы к восточной оконечности Иссык-куля. 21 сентября Семенов достиг восточной оконечности Иссык-куля.

Первая поездка Семенова к Иссык-кулю оказалась весьма плодотворной. Для географической характеристики посещенных местностей был собран значительный материал.

Вскоре после возвращения в Верное Семенов получил возможность совершить новую, еще более интересную, поездку на западное побережье Иссык-куля, куда не ступала еще нога европейского исследователя.

2 октября отряд выступил из Верного в путь по намеченному маршруту. С чрезвычайной тщательностью заносил Семенов в дневник свои наблюдения над флорой, фауной, над почвами и горными породами. Ботанические, минералогические и энтомологические коллекции непрерывно пополнялись.

На пятый день после выхода из Верного отряд вступил в Буамское ущелье, через которое протекает одна из значительных рек Средней Азии – река Чу. Семенов рассчитывал, следуя по ущелью, проникнуть к озеру Иссык-куль. Два дня он занимался изучением берегов Иссык-куля, затем направился в обратный путь и благополучно вернулся со своим отрядом в Верное.

Научные результаты поездки оказались очень значительными. Главным из них было решение вопроса о верхнем течении реки Чу. Географы того времени полагали, что река Чу начинается из Иссык-куля. Семенов установил ошибочность этого мнения. Он выяснил, что река Чу начинается не из озера, а является продолжением реки Кочкура, вытекающей из горной долины Тянь-Шаня к западу от Иссык-куля.