Вернувшись на родину, с 1866 года работал преподавателем физики и химии в Яссах и в военном училище там же.
С 1878 года — профессор Ясского университета. Преподавал на медицинском и естественнонаучном факультетах, затем только на кафедре химии минералов. В 1878 году был назначен деканом химического факультета Ясского университета, где преподавал 33 года. Здесь он основал: Первую химическую лабораторию университета (1882) и кафедру органической химии (1891).
Основные научные работы Петру Пони связаны с изучением минеральных вод, месторождений руд и нефти. Доказал, что ароматические углеводороды содержатся не только в сырой нефти, но и в продуктах её перегонки при нормальном давлении.
Автор «Курса элементарной химии» (1869). Занимался разработкой химической номенклатуры на румынском языке.
Память
Имя Петру Пони носит Институт макромолекулярной химии в Бухаресте (Institutul de Chimie Macromoleculară Petru Poni).