1762—1802

В начале 1762 года, вскоре после смерти отца, он вернулся в Россию и передал значительную часть унаследованного имения в распоряжение своим братьям, а сам занялся наукой. Он продолжил изучение горнозаводского дела и посетил в 1763 году Тулу, Петербург, Шлиссельбург и Ладогу.

С 1762 по 1772 годы состоял на государственной службе. «За обширные познания в натуральной истории и минералогии» Екатерина II пожаловала его в советники берг-коллегии.

В 1772 году П.Г. Демидов был избран в члены «Вольного российского собрания» и в том же году отправился за границу для лечения, посетив при этом Германию, Францию и Голландию.

После возвращения в Россию в 1773 году он находился в переписке с Бюффоном, Галлертом, и особенно с Линнеем, которому он посылал описания некоторых интересовавших шведского учёного животных. Эти описания Линней разместил в своей системе зоологии с выражением благодарности Демидову.

Во время своих путешествий за границей и по России П. Г. Демидов собрал значительную естественнонаучную коллекцию, собрание монет и медалей, художественных редкостей и большую библиотеку.