Но ещё раньше, в 1902 г., он сдал экзамены на степень доктора медицины и получил должность ассистента университетской клиники болезней уха, горла и носа им. Ю.И. Базановой. В его обязанности входило заведывание кабинетом, прекрасно оборудованным физическими приборами. Это позволило Лазареву начать научные исследования; практической медициной он фактически не занимался. Со студенческих лет образцом ученого для него становится великий немецкий естествоиспытатель Г. Гельмгольц, и преклонение перед ним Лазарев сохранил на всю жизнь: в его кабинете всегда стоял бюст Гельмгольца, в его библиотеке было собрано всё написанное Гельмгольцем и о нём, наконец, будучи хорошим рисовальщиком, Лазарев сделал много портретов Гельмгольца.
Первая научная работа П.П. Лазарева «Звучание манометрического пламени» (1903) интересна методом исследования. Вторая его работа – «О взаимодействии влияния органов зрения и слуха» (1905) – послужила отправной точкой для ряда исследований по этой проблеме его и его учеников уже в советское время. И вообще, работы по биофизике, тогда только формировавшейся новой области науки, составляют основу его творческого наследия.
Огромное значение в жизни Лазарева имело его знакомство с уже знаменитым прецизионным измерением светового давления на твёрдые тела физиком П.Н. Лебедевым. С конца 1902 г. начинает работать еженедельный коллоквиум при лаборатории Лебедева. Лазарев становится его постоянным посетителем – сначала слушателем, а затем активным участником. Тогда же он начинает работать в лаборатории как добровольный помощник, но постепенно становится правой рукой П.Н. Лебедева, старшим лаборантом у него.
В Лебедевской лаборатории Лазарев подготовил магистерскую и докторскую диссертации по физике. Тема первой – «О скачке температуры при теплопроводности на границе твёрдого тела и газа» – была предложена Лебедевым. А вызвана она была необходимостью изучить обнаруженное в 1895 г. Лебедевым явление – повышение чувствительности термоэлементов при помещении их в вакуум. Лазарев показал, что слой, в котором происходит скачок, соизмерим с величиной среднего свободного пробега молекулы газа. Эта тематика не получила развития в его последующих работах. Тема же докторской диссертации – «Выцветание красок и пигментов в видимом спектре. Опыт изучения основных законов химического действия света» – вполне отвечала научным интересам Лазарева, и к проблемам, затронутым в этом исследовании, он обращался неоднократно. Он установил количественную связь между разложившимся под влиянием света веществом и поглощенной энергией, зависимость скорости реакции от длины волны света, влияние кислорода на выцветание красок. Считается, что докторская диссертация Лазарева явилась одной из немногих основных работ доквантовой фотохимии.
