В 1849 году Пётр Семёнов стал действительным членом Императорского Русского географического общества, возникшего лишь четырьмя годами ранее.
С этого момента судьбы учёного и РГO переплетаются настолько тесно, что часто невозможно определить, где заканчивается история Общества и начинаются семейные хроники Семёнова.
Пётр Семёнов мечтал внести свой вклад в географию путём исследования "белых пятен" на карте мира. Крупнейшей неизведанной территорией в то время была Центральная Азия и известный только по старинным китайским источникам Тянь-Шань. В 1856–1857 годах Семёнову удалось проникнут в глубь загадочной горной страны. Он начертил схему хребтов Тянь-Шаня, исследовал озеро Иссык-Куль, открыл верховья Сырдарьи, увидел горную группу Тенгри-Таг и величественную пирамиду Хан-Тенгри, достиг ледников, берущих начало в группе Тенгри-Таг. Семёнов заложил основу геолого-географических знаний о Тянь-Шане. Эта заслуга была отмечена в 1906 году добавлением к фамилии Семёнов составной части "Тян-Шанский" по указу императора Николая II.
В 1873 году Пётр Петрович был избран Вице-президентом Общества и занимал этот пост вплоть до своей смерти в 1914 году. Он проявил себя как замечательный организатор крупных экспедиций и воспитатель блестящей плеяды учёных. Особенно велики заслуги Семёнова-Тян-Шанского в организации исследований Центральной Азии. Пржевальский, Потанин, Певцов, Роборовский, Козлов, Богданович, Грумм-Гржимайло, Обручев – таков далеко не полный список путешественников, отчасти обязанных своими успехами вдохновляющей роли и настойчивости Семёнова-Тян-Шанского. Семёнов оказывал содействие планам Миклухо-Маклая и вместе с Шокальским организовывал Камчатскую экспедицию РГО.
Учёный опубликовал трёхтомную историю деятельности Общества за первые 50 лет его существования. В 1897 году, по инициативе и настоянию Семёнова, была проведена первая всеобщая перепись населения России, оказавшаяся до революции 1917 года единственной.
Пётр Петрович был награждён высшей наградой Российской империи – орденом Андрея Первозванного. К концу жизни он был избран почётным членом 53 русских и зарубежных научных учреждений, действительным членом 12 и членом-корреспондентом восьми научных обществ.
В его честь названы ледник и пик в Центральном Тянь-Шане, близ Хан-Тенгри, вершина в Монгольском Алтае, хребет к югу от озера Куку-Нор, вершины на Шпицбергене, Аляске, Кавказе и другие географические объекты.
