Знание немецкого и голландского языков и бухгалтерии помогло Петру продвинуться на государственной службе. В 18 лет он был назначен правителем казенных стекольных заводов в Ямбурге (под Санкт-Петербургом). Через некоторое время его назначили переводчиком и помощником бухгалтера Санкт-Петербургской таможни.
Дальнейшая судьба П. И. Рычкова во многом определилась знакомством с Иваном Кириловичем Кириловым, обер-секретарем Сената. Переход на службу в таможню состоялся при участии И. К. Кирилова. В 1734 году когда для Оренбургской комиссии потребовался бухгалтер, Кирилов пригласил на эту должность молодого Рычкова. В июне 1734 года Кирилов направил в Сенат представление об именном списке участников Оренбургской комиссии.
«Бухгалтера ныне достойного еще не приискал, токмо в бухгалтерском деле знающего из русских Петра Рычкова нижайше прошу на первый случай со мною отпустить, который был здесь при портовой таможне у бухгалтерских дел и по-немецки читать и писать умеет, а жалованье он получал по сту по пятидесяти рублев, токмо для сей посылки не соизволено ль будет прибавить рублев сто».
Летом 1734 года в составе большого отряда Рычков вместе с Кириловым прошел длинным и тяжелым путем через Казань и Уфу, далее вдоль левого берега реки Белой до Лика (река Урал) и к устью реки Ори. В августе 1735 года он участвовал в строительстве крепости Оренбург (теперь Орск).
После смерти Кирилова во главе Оренбургской комиссии был поставлен В. Н. Татищев. Видимо, Рычков, на которого еще при Кирилове было возложено ведение всех канцелярских дел, нашел в Татищеве образованного, доброжелательного начальника, стремление которого к изучению просторов России и проведению съемок оказалось для него важным, необходимым и созвучным собственным желаниям.
После отстранения Татищева в 1739 году от начальствования в Оренбургской комиссии между ним и Рычковым завязалась переписка.
Рычков пересылал Татищеву свои первые научные работы, и тот для него стал консультантом и рецензентом. Так, в письме к Рычкову от декабря 1749 года Татищев высоко оценил карту Оренбургской губернии, составленную под руководством Рычкова: «Ваша ландкарта хотя преизрядно сочинена, не взирая на малые недостатки и погрешности, довольно служит, а со временем одно место по другом исправлять можно. Мой совет вам, если годится, чтоб не делать одну, но разделить на три или четыре и все по одному масштабу, то вам легче переправлять и дополнять». Этот совет был принят Рычковым и реализован в дальнейшем.
Усердие и исполнительность Рычкова были отмечены всеми его начальниками. Он быстро продвигался по службе — вначале в Оренбургской комиссии, а затем и в Оренбургской губернской канцелярии.
Позже Рычков вспоминал:
«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».
Петр Рычков
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.
В апреле 1760 года он закончил вторую часть «Топографии Оренбургской». Через полтора года в январском номере академического журнала «Сочинения и переводы к пользе и увеселению служащие» начали печатать «Топографию». Важное географическое сочинение вызвало интерес у читающей публики, и уже в 1762 году весь труд П. И. Рычкова вышел в Петербурге отдельной книгой с полным названием «Топография Оренбургская, то есть: обстоятельное описание Оренбургской губернии, сочиненное коллежским советником и Императорской Академии наук корреспондентом Петром Рычковым». Позже книга была переведена на немецкий язык и издана в Германии. Ее высоко оценили выдающиеся натуралисты того времени.
В «Топографии» дана характеристика природы, населения и хозяйства Оренбургской губернии, характеристика провинций, составлявших губернию, описаны границы губернии. Также дано описание территорий Средней Азии и Казахстана, расположенных к югу и юго-востоку от Оренбургской губернии, рассказано о проживавших там народах: трухменцах (туркменах), хивинцах, аральцах, верхних каракалпаках, киргиз-кайсаках Большой Орды (казахах), зюнгорах (джунгарах).
Титульный лист книги «Топография Оренбургская» (1762 г.)
Раздел «О горах» начинается с описания Уральского хребта. Считается, что название Урал именно Рычков первым отнес ко всей горной системе, протянувшейся от северных морей до реки Яика и южнее. Он рассказал о растительности, животном мире и полезных ископаемых в этих горах, особо остановился на описании пещер Южного Урала. Впервые в научной литературе Рычковым отмечено присутствие нефти в Среднем Поволжье, там, где уже в XX веке возник новый район нефтедобычи, «Второй Баку». Он подробно сообщил о многих видах животных, среднеазиатских ядовитых насекомых и змеях, птицах и рыбах.
