В 1932 году Ширшов участник знаменитой экспедиции на Сибирякове, который впервые в одну навигацию прошел весь Северный морской путь с запада на восток. За участие в этой экспедиции он награжден орденом Трудового Красного Знамени.

В 1933 году Ширшов снова участвует в такой же экспедиции на ледокольном пароходе. Челюскин. Через каждые 30 миль он брал пробы планктона и тут же обрабатывал их, успевая в то же время выполнять все обще экспедиционные работы. Когда погиб Челюскин и весь экипаж высадился на льдину, Ширшов и здесь не прекращал выполнения своих научных наблюдений, перемежая их с обязанностями руководителя одной из бригад. За челюскинскую эпопею Ширшов награжден орденом Красной Звезды. В 1935 году Ширшов плавает на ледоколе Красин. В 1937 году Ширшов принимает участие в экспедиции на полюс в качестве гидробиолога и врача. Уже восемь месяцев отважная четверка живет на дрейфующей льдине в центре полярного бассейна и ежедневно провопит большую научную работу, которая обогатит мировую науку знаниями о совершенно неизученном районе Северного полюса. Работами П. П. Ширшова разбита прежняя теория о том, что в полярном бассейне отсутствует растительный и животный мир. Несмотря на огромные трудности, в условиях полярной ночи, при сильных морозах Петр Петрович регулярно проводит наблюдения над течениями, измеряет глубину океана на всем протяжении дрейфа, берет пробы воды и грунта и все полученные пробы подвергает обработке в своей походной лаборатории.