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).
Стало понятно, что зимовки не миновать. Несколько сильных сжатий окружающих торосов заставили корпус парохода предательски трещать, аварийные группы выгружали на лёд запасы продовольствия и снаряжения; очередное сжатие кончалось и всё приходилось поднимать на борт. Но нет худа без добра. Эти ситуации послужили хорошей тренировкой для экипажа: когда 13 февраля 1934 года льдины разорвали борт судна, и оно стало погружаться, эвакуация прошла быстро и организовано.
П.П. Ширшов позднее рассказывал, как уже на льду он вспомнил, что забыл в каюте свой дневник наблюдений. Забравшись вновь на палубу, он с удивлением увидел Дору Васильеву, укачивающую на руках грудную дочку Карину, родившуюся уже во время рейса. На вопрос Петра Петровича она ответила, что хочет максимально продержать ребёнка в тепле. Пришлось Ширшову убегать с тонущего парохода, прижимая одной рукой дневник, а другой – Дору с Кариной.
Но даже в критические минуты гибели корабля было место для шуток и смеха. Э.Т. Кренкель вспоминал: