Успех экспедиции «Сибирякова» имел большое значение. 17 декабря 1932 года было создано Главное управление Северного морского пути. Основная задача его — «проложить окончательно морской путь от Белого моря до Берингова пролива, оборудовать этот путь, держать его в исправном состоянии и обеспечить безопасность плавания по этому пути».
Всесоюзный Арктический институт, где работал П. П. Ширшов, был передан в ведение Главсевморпути. Летом 1933 года Петр Петрович снова уходит в Арктику: он зачислен гидробиологом в состав экспедиции на пароходе «Челюскин», который должен повторить прошлогодний маршрут «Сибирякова». По сравнению с сибиряковской экспедицией на пароходе «Челюскин» отправился в плавание более многочисленный коллектив. И само судно было значительно больше «Сибирякова» — его водоизмещение составляло 7500 тонн. Ширшов чувствовал себя на судне значительно увереннее, чем год назад, сказался опыт, полученный во время трудного рейса на «Сибирякове». К тому же он попал в родную полярную семью: в числе участников рейса было 22 сибиряковца. Экспедицию опять возглавлял профессор О. Ю. Шмидт, а судном командовал тот же капитан В. И. Воронин. Радостной была встреча со старыми друзьями-сибиряковцами: гидрографом Я. Я. Гаккелем, художником Ф. П. Решетниковым, кинооператором М. А. Трояновским, радистом Э. Т. Кренкелем и другими. Не было только заботливого друга и наставника В. Ю. Визе — он в это время возглавлял другую экспедицию.
Шестнадцатого июля 1933 года жители Ленинграда и многочисленные представители прессы торжественно проводили пароход «Челюскин» в далекий, полный опасностей рейс. Участники экспедиции 1 августа прибыли в Мурманск. Там догрузили судно необходимыми запасами топлива и продовольствия, провели тщательную проверку готовности к дальнему походу и 11 августа вышли из Кольского залива и взяли курс на восток. По озабоченному виду капитана Воронина Ширшов догадывался, что рейс предстоит более сложный и трудный, чем на «Сибирякове». Действительно, «Челюскин» не был приспособлен для одиночного плавания во льдах. Он имел длинный и широкий корпус, редкие и слабые шпангоуты, а ледовые крепления в носовой части корпуса не были достаточно надежны. Не случайно капитан В. И. Воронин записал в своем дневнике в начале рейса: «Я знаю, что меня ждет, как мне будет трудно вести это суденышко через арктические льды…» Но опасениями своими Воронин ни с кем не делился, кроме О. Ю. Шмидта, но тот успокоил его:
— Мне обещали, — сказал он, — что во льдах нас будет сопровождать ледокол «Красин».
Все участники рейса горели желанием не только повторить успех «Сибирякова», но добиться еще большего. Да и план рейса был несколько сложнее — не только пройти за одну навигацию всю трассу Северного морского пути, но и выполнить несколько производственных заданий: сменить персонал полярной станции на острове Врангеля и построить там несколько новых домов, а также провести во время рейса всесторонние испытания корабля с целью определения оптимального типа грузового судна для будущего арктического транспортного флота.
Ширшов при каждом удобном случае поднимал сетки с планктоном, проводил в лаборатории обработку и анализ собранного материала, заполняя своим четким почерком страницу за страницей полевого журнала.
История экспедиции «Челюскина» широко освещалась в печати. Напомним только, что опасения капитана относительно поведения «Челюскина» во льдах оправдались, и уже при первых встречах со льдом в Карском море судно получило повреждения. На помощь пришел ледокол «Красин» и вывел «Челюскина» на чистую воду. Пришлось на ходу проводить ремонт и делать в носовой части парохода дополнительные крепления. Однообразие походной жизни было нарушено приятным событием: на подходах к Северной Земле неожиданно увидели остров. По карте на этом месте значилось открытое море без признаков земли. Капитан сделал точную обсервацию места острова, определил его конфигурацию, сверился по лоции — оказалось, что они подошли к острову Уединения, только он оказался на 50 миль западнее места, обозначенного на карте.
Спустили шлюпку, на остров высадилась группа участников экспедиции во главе с О. Ю. Шмидтом, среди них был и Ширшов. Челюскинцы совершили несколько маршрутов по острову, каждый выполнил работу по своей специальности: геологи собирали образцы горных пород, геодезисты делали картографическую съемку, физики проводили магнитные измерения, Ширшов собрал большую коллекцию мхов и лишайников — флоры этого одинокого, угрюмого острова, кинооператоры занимались киносъемкой. Перед возвращением на судно сложили на берегу гурий и вложили в него бутылку с запиской.