Первое десятилетие своей научной деятельности П.И. Степанов посвятил изучению Донецкого каменноугольного бассейна (Донбасс). По геологической съемке Донецкого бассейна он, частично в соавторстве, опубликовал четыре тома описаний (протоколы Геолкома) и геологических атласов отдельных карт (планшетов), четыре небольшие статьи и тринадцать отзывов об отдельных угленосных участках. За работу по геологическому исследованию Донбасса Степанов был награжден Императорским Санкт-Петербургским минералогическим обществом Большой Золотой медалью им. А.И. Антипова (1912 г.). Итоговая работа Степанова «Донецкий каменноугольный бассейн» была написана совместно с Л.И. Лутугиным. Она вошла в «Очерк месторождений ископаемых углей России» (1913), подготовленный к 12-й сессии МГК в Канаде. В этой работе опубликован подсчет запасов углей в Донбассе, впервые давший ясное представление о промышленной оценке этого бассейна. Выполненные им карты (планшеты) Донецкого бассейна могут служить образцом детального картирования. В 1913 г. в Италии на Туринской Международной промышленной выставке его удостоили медали за карту Донецкого бассейна.
Во время поездки на 12-ю сессию Международного геологического конгресса (МГК) в Канаду (Оттава, 1913 г.) П.И. Степанов вместе с Ф.Н. Чернышевым имел возможность посетить и ознакомиться с постановкой музейного дела в Англии, Канаде, США. В 1919 г. вышла в свет большая статья Степанова «История развития и современное состояние геолого-минералогических музеев Европы и Америки», свидетельствующая о большом интересе к музейному делу и о решении создать музей при Геолкоме. Этому вопросу была посвящена и другая его статья «Строительство естественноисторических и технических музеев Петрограда» (1923). Всего он опубликовал двенадцать работ, посвященных музейной тематике.
П.И. Степанов вел также и палеонтологические исследования. В этой области его учителями были академики Ф.Н. Чернышев и Ф.Б. Шмидт. Степанов изучал ископаемую фауну из отложений силурийского и каменноугольного возраста (кораллы, трилобиты, мшанки). В 1915 г. в Боровичском районе (Петроградская губерния) изучал месторождения ископаемых углей и серного колчедана, а годом позже в Средней Азии исследовал медные, свинцово-цинковые, соляные и угольные месторождения.
В дальнейшем исследование геологии угольных бассейнов занимало центральное место в научной деятельности Степанова. В 1917 г. его избрали заведующим угольной секции Геолкома (он был им до 1920 г.) и поручили составить очерк угольных месторождений. Сводка «Ископаемые угли» была опубликована в 1919 г. и характеризовала угольные богатства страны.
В 1919–1922 гг. Степанов был председателем совета Бюро учета полезных ископаемых Геолкома.
П.И. Степанов – один из основателей Центрального научно-исследовательского геологоразведочного музея (ЦНИГРмузей) им. академика Ф.Н. Чернышева. Он отдал много сил организации этого музея сначала в качестве председателя Совета (1920 г.), затем заведующего (1926 г.) и директора (с 1930 г., когда музей был открыт, до конца своей жизни).
