Он 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
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 редкие 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 произвела подробное исследование этой горной системы. Сам Козлов прошел по северным склонам главного хребта, а его спутники, ботаник Вениамин Федорович Ладыгин и топограф Александр Николаевич Казнаков, несколько раз переваливали хребет, проследили также и южные склоны. Выяснилось, 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 все трое разными путями пересекли пустыни Гоби и Алашань; соединившись, они поднялись на северо-восточную окраину Тибетского нагорья, обошли с севера страну Кам, расположенную в верховьях рек Янцзы и Меконг.
В высокогорной стране Кам Козлова поразило необычайное богатство растительности и разнообразие животного мира. Путешественники встретили новые, неизвестные науке экземпляры. Из этих мест Козлов предполагал направиться в столицу Тибета Лхасу, но глава Тибета далай-лама категорически воспротивился этому. Экспедиции пришлось изменить маршрут.
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.