Не оставлял он и занятий Нижегородскими древностями, которые он изучил так подробно, что во время посещения Нижнего Новгорода высшими сановниками, учеными и путешественниками губернатор обыкновенно назначал П. И. Мельникова для указания местных достопримечательностей. Таким образом в 1850 году он удостоился высокой чести указывать нижегородские достопримечательности великим князьям Николаю и Михаилу Николаевичам.
В 1850 году он переведен на службу в министерство внутренних дел, где и до сих пор продолжает ее, состоя в чине статского советника и в должности чиновника особ. пор. V класса при министре. До 1852 года он не оставлял Нижег. губ., занимаясь ревизиею городских учреждений, причем имел возможность изучить быт купцов и мещан, с которым до того он был мало знаком. Повесть «Красильниковы», напечатанная в «Москвитянине» (1852 года N 8), была плодом этого изучения.
В 1852 году он был назначен начальствующим статистической экспедицией, которая отправлена была в Нижегородскую губернию. Работы этой экспедиции, находящиеся теперь в министерстве внутренних дел, состоят из тринадцати огромных томов, в которых описана самым подробным образом каждая населенная местность губернии. Только Нижегородская и еще Ярославская губернии до сего времени описаны с такой подробностью. С 1853 по 1857 год он был в постоянных разъездах по приволжским губерниям, имея такие поручения, которые требовали близких и непосредственных сношений с народом. Близкое знакомство с народом видно в его сочинениях. На вопросы, предложенные ему почитателями его таланта — где он так изучил народный язык, П. И. Мельников обыкновенно отвечает: на барках, в скитах, да на мужицких полатях.