В 1733 году он выступил с инициативой — организовать экспедицию на юго-восточную окраину России. Одна из главных задач экспедиции состояла в закладке города-крепости Оренбурга при впадении реки Орь в Яик, поэтому она получила название Оренбургской экспедиции. В ее задачи также входило выявление полезных ископаемых, получение новых сведений о местном населении, его истории, быте, хозяйстве, составление географических карт.
Оренбургскую экспедицию возглавил сам И. К. Кирилов. Он всячески стремился к тому, чтобы привлечь к сотрудничеству ученых. С этой целью он связался с Академией наук и сделал попытку пригласить в экспедицию ботаника академика Иоганна Аммана и архитектора К Ф. Шеслера. Однако оба они отказались от приглашения; мало кому хотелось ехать из благоустроенного Петербурга в неизведанную глушь. Но все же Кирилову удалось пригласить к работе в экспедиции целый ряд известных в то время ученых. Так с Кириловым поехал известный ботаник И. Г. Гейнцельман. Свои ботанические материалы он отправлял в Академию наук и Карлу Линнею. Копии рукописных работ Гейнцельмана "Флора самарская" и "Флора оренбургская" хранятся ныне в Швеции в библиотеке Линнея. Для оренбургской флоры Гейнцельман указал 401 вид растений. В составе экспедиции работали астроном и математик Д. Эльтон, геодезисты П. Чичагов, А. Клешнин, М. Пестриков, живописец англичанин Джон Кэстль и другие.
К работе в экспедиции Кирилов старался привлечь способных русских людей. Он обратил внимание на трудолюбие и незаурядные способности молодого Рычкова и пригласил его на должность бухгалтера экспедиции. В представлении о личном составе экспедиции Кирилов писал: "Бухгалтера ныне достойного еще не приискал, токмо в бухгалтерском деле знающего из русских Петра Рычкова нижайше прошу на первый случай со мной отпустить, который был здесь при портовой таможне у бухгалтерских дел и по-немецки читать и писать умеет…"(5). С 1734 года и до конца своей жизни служил Рычков в Оренбургском крае. За это время сменилось немало правителей губернии. Но первым наставником Рычкова был И. К. Кирилов. Именно под его влиянием у Петра Рычкова развился интерес к научным изысканиям и, в частности, к составлению географических карт (ландкарт) и географических описаний.
После смерти И. К. Кирилова (1737 год) начальником Оренбургской комиссии (так стала называться с этого времени Оренбургская экспедиция) был назначен Василий Никитич Татищев — видный государственный деятель и крупнейший историк и географ первой половины XVIII века. В нем Рычков нашел разносторонне образованного и доброжелательного учителя.
Татищев был не только современником петровских преобразований, но и активнейшим их участником. Он вел непримиримую борьбу с засильем иностранцев в Академии наук, был горячо заинтересован в развитии отечественной истории и географической науки.
Велик вклад Татищева в дело изучения истории и географии Оренбургского края. В его известных работах "История Российская" (1739–1750), "Введение к историческому и географическому описанию Великороссийской империи" (1744–1745), "Российский исторический, географический и политический лексикон" (1745) содержатся богатейшие сведения по истории и этнографии народов, населяющих Оренбургский край, интересные сведения о горах, озерах, реках бассейна Урала.
По приказу Татищева была составлена ландкарта "реки Яика от Верхнеяицкой пристани (ныне г. Верхнеуральск Челябинской области) до казачьего городка Яицка" (г. Уральск). Это была первая подробная карта реки Урал и местности, прилегающей к его верхнему и среднему течению. Сохранилось татищевское описание: "Яик, вершины ее в Зауральской Башкирии из горы, называемой Калкан, по долгом течении коего будет вблизь 3000 верст, впадает в Каспийское море… Сия река за самую рыбнейшую в государстве почитается"(6).
Управлять Татищеву Оренбургским краем пришлось недолго. В 1739 году вследствие придворных интриг он был отстранен от должности, но его связь с Рычковым не прекратилась. Между Татищевым и начинающим исследователем Оренбургского края завязывается переписка. Рычков посылает Татищеву свои первые научные работы, Татищев становится для Рычкова постоянным консультантом. Он исправляет ошибки в рукописях Рычкова, дает справки.
Советы Татищева во многом определили характер всей последующей научной работы Рычкова. Так, в одном из писем Татищев дает оценку карте Оренбургского края, составленной под руководством П. И. Рычкова: "Ваша ландкарта хотя преизрядно сочинена, невзирая 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" (7).