Пржевальский наметил проект пятой экспедиции, намереваясь захватить с собой и Козлова. Последний же по окончании отпуска возвратился в Москву, в лейб-гренадерский Екатеринославский полк, где он проходил службу.
Проект пятой экспедиции был утвержден Географическим обществом в марте 1888 года. К сожалению, для знаменитого путешественника этот поход оказался последним: смерть настигла его на берегу озера Иссык-Куль. Петр Кузьмич Козлов на могиле своего старшего друга и наставника поклялся продолжать его дело по исследованию Центральной Азии и сдержал свое обещание.
Несмотря на тяжелую утрату, экспедиция продолжила работу, теперь уже под руководством известного астронома М.В. Певцова, ранее путешествовавшего по Монголии и Северному Китаю.
Певцов хоть и принял руководство экспедицией, но понимал, что ему не удастся полностью заменить Пржевальского и выполнить намеченный им объем работ. Поэтому было решено сократить маршрут, ограничившись исследованием Китайского Туркестана, северной части Тибетского нагорья и Джунгарии.
Чтобы исследовать как можно больше территории, Певцов разрешал членам экспедиции отклоняться от основного маршрута.
Петр Кузьмич Козлов провел четыре таких самостоятельных поездки. Он переложил на план довольно большую площадь и собрал очередную богатую зоологическую коллекцию.
Он самостоятельно посетил Кончедарью (левый приток Тарима) и северный берег озера Бакраш-Куль. Результаты поездок были им описаны в виде отдельных статей, включенных в труды экспедиции 1889–1990 годов. В них Козлов дал полное и красочное географическое описание изученных территорий — климатические условия, флора и фауна, жизнь местного населения.
Работу Козлова в экспедиции по достоинству оценило Географическое общество, присудив ему медаль имени Пржевальского. Благодаря этому путешествию, Козлов стал известен как неутомимый исследователь-географ.
В апреле 1892 года совет Русского географического общества утвердил проект двухсторонней экспедиции на восточную окраину Нагорной Азии, одну — во главе с Г.Н. Потаниным, вторую — во главе с В.И. Роборовским, еще одним сподвижником Н.М. Пржевальского.
Петр Кузьмич Козлов участвовал в экспедиции Роборовского, длившейся с 1893 по 1895 год, в качестве старшего помощника.
Экспедиция отправилась 15 июня 1893 года в город Кара-кола (сейчас Пржевальск). Здесь Козлов в полной мере проявил свои блестящие способности исследователя.
Труд между учениками Пржевальского распределялся поровну: например, В.И. Роборовский составлял гербарий, а Козлов по-прежнему занимался сбором экспонатов для зоологической коллекции.
В этом путешествии члены экспедиции также совершали самостоятельные поездки. У Козлова самой замечательной из совершенных в этом путешествии была поездка из Люкчюна на юг, с базой в Кызыл-Сыныре и далее через Лобнор по пескам Кумтагш в оазис Са-Чжау. Эта поездка заняла 2,5 месяца, в это время был собран богатейший материал, в частности, в пустыне Кум-таш П.К. Козлову посчастливилось добыть трех диких верблюдов и изучить их повадки.
Экспедиция исследовала Наньшань и направилась в Северо-восточный Тибет.
Работы уже были почти закончены, когда произошло несчастье. 21 января 1890 года в горном лабиринте Амнэ-Мачин Раборовского сразила тяжелая болезнь (паралич). Петр Кузьмич Козлов на правах старшего помощника возглавил экспедицию. Но, естественно, дальнейшее изучение Тибетского нагорья пришлось приостановить и спешно возвращаться, ибо жизнь Роборовского оказалась под угрозой.
По возвращении Козлов занялся составлением отчета экспедиции, назвав его «Отчетом помощника начальника экспедиции».
Четвертое путешествие Козлова, в котором он уже выступил как руководитель, состоялось в 1899 году и длилось опять-таки два года. На его подготовку Петр Кузьмич потратил почти три года, прочитав за это время огромное количество книг и обдумав каждую деталь плана путешествия. Целью новой экспедиции было изучение Гобийского Алтая, прилегающей к нему Центральной Гоби, а также Восточного Тибета. Географическое общество план утвердило; газеты известили читателей о готовящейся экспедиции, и к Козлову стали приходить многочисленные просьбы о зачислении в ее состав. В числе просителей были люди самых разнообразных профессий, а потому Петр Кузьмич был вынужден заняться тщательным отбором состава экспедиции. Сам Козлов в своих воспоминаниях отмечал: «Я их выбирал более строго, нежели выбирают невесту».
Четвертая экспедиция Козлова имела более богатое и разнообразное снаряжение, чем предыдущие: различные приборы для астрономических, гипсометрических и метеорологических наблюдений, брезентово-пробковая лодка, резиновые мешки для хранения воды, жестяную печь для согревания еды и жилища. 8 мая 1899 года Козлов и его молодой спутник А.Н. Казнаков покинули Москву и отправились в станицу Алтайская, начальному пункту экспедиции.
После месячной подготовки экспедиция в составе 22 человек 14 июля направилась к границе и, перейдя перевал Улан-Дабан, 7 августа вступила в долину реки Кобдо.