С 1891 года П. С. Коссович — приват-доцент Московского университета, где читал курс агрономической химии (с 1892). Для ознакомления с зарубежным опытом был командирован в 1892 году в Германию, Голландию, Бельгию и Францию; во Франции занимался в институте Пастера; в Германии — у Р. Коха.
С 1894 года до конца жизни работал в Санкт-Петербургском лесном институте: сначала — приват-доцент; с 1902 года — профессор кафедры почвообразования и земледелия. В 1905—1907 и 1909—1911 годах П. С. Коссович был директором Лесного института. Он был первым выборным директором института. Оба раза он оставлял должность, не соглашаясь с реакционной политикой государства.
При Лесном институте в 1895 году он организовал и возглавил Бюро по земледелию и почвоведению научного комитета Министерства земледелия, на основе которого был впоследствии создан Государственный институт опытной агрономии. В 1897 году он организовал сельскохозяйственную химическую лабораторию с вегетационным павильоном, для изучения агрохимических свойств почв Российской империи.
В 1900 году основал «Журнал опытной агрономии», который издавался до 1931 года; был его редактором которого до 1910 года. Им также были издавались «Труды сельскохозяйственной химической лаборатории» (8 выпусков) и «Сообщения бюро по земледелию и почвоведению».
Напечатал книги: «Основы учения о почве» (СПб., 1911), «Краткий курс общего почвоведения», (СПб., 1916).
Скончался Пётр Коссович 13 (26) августа 1915 года в Петрограде. Похоронен, согласно завещанию, в своем родовом имении Сестрино в в Смоленской губернии.
Развил идеи В. В. Докучаева о почвообразовательном процессе, предложил понятие почвенного выветривания, выдвинул идею о генетически самостоятельных (элювиальных) и генетически подчинённых (иллювиальных) почвах. Эволюцию почв рассматривал в связи с изменением условий почвообразовательного процесса. Развивал минерально-химическое направление почвоведения, не учитывая в полной мере роль растительности в образовании почв.
К вопросу об усвоении растениями свободного азота. — СПб.: тип. В. Демакова, 1895. — 83 с., 2 л. ил.: черт.
Исследование по вопросу, могут ли водоросли усвоять свободный азот. — СПб.: тип. В. Демакова, [1896]. — 30 с.
Краткий очерк работ и взглядов П. А. Костычева в области почвоведения и земледелия. — СПб. тип. В. Демакова, [1898]. — 27 с.
Основы учения о почве. — СПб.: тип. Альтшулера, 1911. — 264 с.
Краткий курс общего почвоведения. — СПб.: Комис. студентов Спб. имп. лес. ин-та, 1912. — 244 с.
К вопросу о составе русских и иностранных рыбных туков и других удобрений «морского» происхождения / П. Коссович и Г. Колотов. — СПб.: тип. Альтшулера, 1912. — 16 с. — (Сообщения из Бюро по земледелию и почвоведению Ученого комитета Главного Управления Землеустройства и Земледелия; Сообщ. 10).
О круговороте серы и хлора на земном шаре и о значении этого процесса в природе, почве и в культуре с.-х. растений. — СПб.: тип. Альтшулера, 1913. — 86 с. — (Сообщения из Бюро по земледелию и почвоведению Ученого комитета Главного управления землеустройства и земледелия; Сообщ. 12).
Исследование почв земельных угодий Вологодского молочнохозяйственного института: (Почвы подзолистой зоны): С почв. карт., 3 рис. почв в красках и 14 фотогр. / Гл. аналит. работы исполнены В. Л. Брейтфус, А. А. Красюком [и др.]; П. Коссович и А. Красюк. — СПб., 1914. — 90 с., 4 л. цв. ил., карт. — (Из Бюро по земледелию и почвоведению Ученого комитета Главного управления землеустройства и земледелия; Сообщ. 14).
О растворяющей роли корневых выделений и об участии в этом процессе выделяемой ими углекислоты. — М.: типо-лит. т-ва И.Н. Кушнерев и К°, 1914. — 20 с. — (Сообщения из Бюро по земледелию и почвоведению Ученого комитета Главного управления землеустройства и земледелия; Сообщ. 17 [!18]).
К вопросу о степени растворимости и усвояемости растениями нерастворимой в воде фосфорной кислоты суперфосфатов, приготовленных из Костромских фосфоритов. — Петроград: тип. Альтшулера, 1914. — 37 с. — (Из Бюро по земледелию и почвоведению Ученого комитета Главного управления землеустройства и земледелия; Сообщ. 19).
Аналитические материалы по исследованию почв. — Петроград: тип. Альтшулера, 1915. — 30 с. — (Из Бюро по земледелию и почвоведению. Ученый комитет Главного управления землеустройства и земледелия. Сообщение; 22).