Географ, статистик, общественный деятель, почетный член Петербургской АН (1873). Вице-председатель и глава Русского географического общества (с 1873 года) и Русского энтомологического общества (с 1889 года). В 1856-1857 годах исследовал Тянь-Шань, дал первую схему его орографии и высотной зональности. Инициатор ряда экспедиций в Центральную Азию. Руководил изданием многотомных сводок по географии России: "Географическо-статистический словарь Российской империи", "Россия. Полное географическое описание нашего отечества" (совместно с В. И. Ламанским).
Семенов родился в деревне Урусово, недалеко от Рязани, в семье Петра Николаевича Семенова - капитана в отставке, участника Бородинского и Кульмского сражений, владевшего имениями в Рязанской, Тульской и Тамбовской губерниях. Закончив университет в 1848 году, Семенов решил посвятить жизнь науке.
В 1853 году Семенов поступает в Берлинский университет, где избирает лекции по географии и геологии. Здесь он посещал лекции Карла Риттера и познакомился с Гумбольдтом, с которым поделился своей идеей проникнуть во Внутреннюю Азию из России. Гумбольдт просил Семенова найти доказательства своей теории вулканического происхождения Тянь-Шаня (в переводе с китайского "Небесные горы").
В Петербурге Семенов сумел убедить М.Н. Муравьева, вице-председателя Географического общества в необходимости экспедиции на Тянь-Шань. Весной 1856 года Семенов оставил Петербург и через Москву, Казань и Урал, по большому сибирскому тракту двинулся к цели, преодолевая за сутки по 400 верст. К 1 июня он вышел на берега Иртыша. Преодолев Обь - переправа продолжалась весь день, Семенов в конце июня увидел Алтай.
В 1856 году из Семипалатинска Семенов добрался до Балхаша, который со своей "отсохшей оконечностью - озером Ала-Кулем (Ала-коль) - отделяет системы центральноазиатских хребтов от Киргизской степи". К юго-востоку от Балхаша он увидел исследованную А. Шренком "ослепительно блестящую... вечными снегами", простирающуюся на юго-запад цепь высоких гор и назвал ее Джунгарским Алатау. За этим хребтом начиналась "низкая и жаркая" долина реки Или. Миновав ее, он достиг города Верного (теперь Алма-Ата).
В сентябре - октябре Семенов совершил два маршрута к озеру Иссык-Куль. Первый пролегал через восточную часть хребта, "круто... как исполинская стена" поднимавшегося к югу от города. Это был Заилийский Алатау (название дано Семеновым). Он спустился с хребта на юго-восток, в долину Чилика, и, перевалив Кюнгей-Ала-Тоо, через широкую степную долину рек Тюп и Джергалап вышел к озеру. "С юга весь... синий бассейн Иссык-Куля... замкнут непрерывной цепью снежных исполинов". Это был "заветный Тянь-Шань" - хребет Терскей-Ала-Тоо. Тем же путем Семенов вернулся в Верный.
Затем он выехал на запад, пересек Заилийский Алатау и за рекой Чу на юго-западе увидел высокий горный хребет (Киргизский). Через Боамское ущелье, Семенов вышел к северо-западному берегу Иссык-Куля; этот маршрут позволил ему опровергнуть слухи, о том что озеро служит истоком Чу - у этого озера нет истока. От Иссык-Куля Семенов поднялся на Кюнгей-Ала-Тоо, пересек долину правого притока Чу и на обратном пути к Верному перевалил Заилийский Алатау в самой высокой части.
Зиму 1856/57 года Семенов провел в Барнауле. Он решил привести в порядок коллекции, написать подробный отчет Географическому обществу, подготовиться к следующей экспедиции, которую наметил на весну 1857 года.
В отчете он иллюстрировал свои размышления о пяти зонах Заилийского Алатау наблюдениями над их растительностью. Материал собрал богатейший - 70 видов растений, среди которых оказалось четыре вида еще неизвестных науке, новые виды рябины и клена - "клен Семенова".
В Барнауле Семенов встретился с Достоевским, с которым познакомился еще в Петербурге. Достоевский работал тогда над "Записками из мертвого дома" и читал ему отдельные главы.
Летом 1857 года Семенов сотрядом вышел из Верного. Он прошел по северному склону Заилийского Алатау на восток до реки Чилик; через параллельные кряжи Согеты и Тораигыр и заключенное между ними "сухое, безводное и... бесплодное плоскогорье" достиг верхнего течения Чарына, притока Или. С узкого гребня Тораигыра на юго-востоке Семенов первым из европейцев увидел Хан-Тенгри. Перевалив Кюнгей-Ала-Тоо, он прошел на юг к северным склонам Терскей-Ала-Тоо.
Поднявшись на перевал в Терскей-Ала-Тоо, он увидел на юге реки Нарын - "верховья древнего Яксарта" (Сырдарьи). Перед ним расстилалась "волнистая равнина с зелеными озерцами" - сырты Внутреннего Тянь-Шаня. С перевала в Терскей-Ала-Тоо он был "ослеплен неожиданным зрелищем... [на юго-востоке] возвышался самый величественный из когда-либо виденных мной горных хребтов. Он весь, сверху донизу, состоял из снежных исполинов (Семенов насчитал их не менее 30)... Как раз посередине... возвышалась одна, резко... отделяющаяся по своей колоссальной высоте белоснежная остроконечная пирамида..." - Хан-Тенгри, долгое время считавшийся высшей точкой (6995 метров) Тянь-Шаня. Хан-Тенгри - горная группа, самая высокая вершина которой считалась и высочайшим пиком Тянь-Шаня. Хан-Тенгри - царь всех духов небесных... Семенов измерил его. Семь тысяч метров. На склонах Тенгри-тага, Петр Петрович обследовал гигантский ледник, самый большой на Тянь-Шане которому позже дадут его имя. И тут же, неподалеку от ледника, увидели кочкаров - баранов с массивными, могучими рогами. Зоологи считали, что кочкары полностью вымерли. "Я мог рассмотреть в свой бинокль, - вспоминал исследователь, - что это были громадные бараны с теми характерными рогами, черепа которых мы находили во множестве в долине Сарыджаза". Со времен Марко Поло их впервые видел ученый... Но ценным оказался и собранный на склонах Хан-Тенгри гербарий. Четыре новых вида растений подарил Семенов ученому миру.
Экспедиция была успешной. Однако Семенов не нашел доказательств теории Гумбольдта о вулканическом происхождении Тянь-Шаня.
В конце сентября Семенов появляется в Семипалатинске. Сам он называл свое путешествие "научной рекогносцировкой северо-западной окраины Центральной Нагорной Азии". Ее результаты оказались значительными: он проследил Кюнгей-Ала-Тоо на 150 километров, Терскей-Ала-Тоо на 260 километров, обследовал Заилийский Алатау, связанный, как он выяснил, с другими хребтами Тянь-Шаня и образующий его передовую цепь: открыл огромную ледниковую область в верховьях Сарыджаза и тянь-шаньские сырты; подтвердил, что питание реки Чу не связано с озером Иссык-Куль (напротив во время высокого половодья - воды реки Чу через проток Кутемалды изливаются в Иссык-Куль), привел бесспорные доказательства отсутствия вулканизма в Средней Азии; установил высотные природные пояса Тянь-Шаня и высоту снеговой линии хребтов; впервые исследовал местность в истоках Нарына, Текеса и Сарыджаза, то есть рек, принадлежащих трем из четырех крупнейших речных систем Центральной Азии - Сырдарьи, Или и Тарима; подметил характернейшую особенность Тянь-Шаня - расчленение на параллельные цепи и образование продольных, широтных долин. Наконец, Семенов дал первое четкое деление северных цепей Тянь-Шаня.
Но третьего путешествия во Внутреннюю Азию он так и не смог совершить из-за осложнившихся отношений России с Англией, у которой в Азии были свои интересы.
Свыше сорока лет (с 1873 по 1914 год) Семенов возглавлял Русское географическое общество. С его помощью организованы экспедиции Пржевальского, Потанина, Козлова, Роборовского, Велиханова, Мушкетова, Обручева... Он много работает - пишет капитальные труды, собирает уникальную коллекцию чешуекрылых трудится на посту президента Русского энтомологического общества, пишет этюды по истории нидерландской живописи - он давно изучает и собирает работы голландских мастеров. Впоследствии Семенов передал в Эрмитаж несколько сот картин голландских мастеров и несколько тысяч гравюр.
В 1897 он провел первую перепись населения России.
В год пятьдесятилетия со дня его первого путешествия на Тянь-Шань, вышел царский указ, о присоединении к имени Петра Петровича Семенова титула Тян-Шанского.