«Будучи в той экспедиции, как от него, Кирилова, так и от бывших после его генералитетов, употребляем я был всегда (кроме одного первого года) и почти безотлучно к нужнейшим воинским делам. Они, по тогдашним башкирским беспокойствам (волнения башкирских племен), о том, как бы счетные книги по регуле бухгалтерской установить, почти и думать уже перестали, но усмотря, что в таких строгих случаях к управлению канцелярских дел других более способнее, все канцелярское правление на меня одного положили. При таких обстоятельствах имели они меня всегда и во всех походах безотлучно при себе и подлинно содержали меня в отменной милости».
В 1743 году Рычкова за успешную службу наградили землей, расположенной вблизи от города Бугульмы, на которой он позже выстроил село Спасское. А в 1751 году по представлению Оренбургского губернатора И. И. Неплюева ему присвоили чин коллежского советника. В поездках по Оренбургскому краю, в состав которого тогда входили и Башкирские земли, районы южнее Яика, Южный Урал, Заволжье и Закамье, он изучал разнообразные ландшафты края, знакомился с достопримечательными местами; его интересовали животные, обитавшие в степях, рыбы в реках, месторождения руд, наличие минералов, быт и нравы казахов, башкир, татар и других народов, населявших обширный Оренбургский край. При его участии заложили первые русские городки и крепости в степном Заволжье.
В 1741 году при канцелярии Оренбургской комиссии был создан географический департамент для рассмотрения представленных геодезистами ландкарт, а также для составления общей ландкарты Оренбургского края. Такая карта в 1743 году была составлена, но вскоре стало ясно, что ее необходимо переделать с учетом новых картографических материалов, поступивших в канцелярию учрежденной в 1744 году Оренбургской губернии. В том же 1744 году Рычков закончил сочинение одной из своих ранних историко-географических работ — «Известие о начале и состоянии Оренбургской комиссии по самое то время, как оная комиссия целой губернией учинена, с некоторыми историческими и географическими примечаниями». К рукописи прилагались карандашные рисунки Оренбурга и ряда других городов губернии. Также было сделано подробное описание Оренбурга.
По инициативе Рычкова в 1752 году решили составить атлас карт Оренбургской губернии и прилегавших к ней с юга среднеазиатских земель. Работу поручили геодезисту прапорщику Ивану Красильникову. В 1753–1755 годах по имевшимся картам и описаниям он составил свои карты — 10 частных и одну генеральную. Впервые были нанесены от истоков до устья левые притоки Волги и Камы, основные притоки рек Белой и Уфы, правые притоки Яика — Таналык и Сакмара — и его левый приток Илек, крупнейший приток Самары — Большой Кинель. На картах появилось около 100 озер восточного склона Урала; уже четко была показана Бугульминско-Белебеевская возвышенность как водораздел притоков Волги, Камы и Белой; четко изображен Общий Сырт, разрезанный рекой Самарой и ее притоками на отдельные длинные участки.
К новым картам Рычков решил приложить текст, так как считал: самые точные ландкарты не могут полностью характеризовать изображенные на них территории. В предисловии к первому варианту «Топографии Оренбургской» он писал:
«И хотя употребление исправно сочиненных ландкарт во всяком правлении, а особливо в политических и воинских делах, производит немалую пользу; наисовершенному ведению и к добропорядочному управлению поручаемых дел нужно каждому командиру сверх того знать еще разные обстоятельства, яко то: народное и натуральное состояние подчиненных ему мест, где какое людство и на каком основании находится, что где натура произвела и произвести может, какое место чем избыточествует или оскудевает, откуда, когда и как награждать недостатки и чрез что превозмогать имеющиеся или быть могущие затруднения».
В феврале 1755 года Рычков выслал первую часть «на просвещенное рассмотрение» академику М. В. Ломоносову, с которым познакомился во время поездки в Петербург в 1751 году, а через два месяца — в Академию наук, где рукопись рассмотрели и при содействии М. В. Ломоносова одобрили к изданию.
В Академии наук 28 января 1759 года было учреждено звание академических корреспондентов, и в решении об этом было указано, что следует «начать сие учреждение принятием в такие корреспонденты с данием дипломы господина коллежского советника Петра Рычкова». И на следующий день Рычков был избран на общем собрании академиков первым в России членом-корреспондентом Академии наук. После этого радостного для него события Петр Иванович регулярно посылал в Академию наук краткие описания, чучела и гнезда птиц, различные сообщения о примечательных природных явлениях и объектах в Оренбургской губернии и о многом другом.