Круг научных интересов Герцена был очень широк.
Мировое признание получила его работа о пластике пищевода. Эту уникальную операцию он произвел у больной с рубцовой стриктурой (сужением) пищевода, которая развилась после отравления серной кислотой. Видоизменив методику, предложенную его учителем — профессором Ру, Петр Александрович создал пищевод из сегмента тонкой кишки, проведенной предгрудинно под кожей. Больная хорошо перенесла операцию и прожила после этого более 30 лет.
Об этой операции П. А. Герцен доложил на съезде российских хирургов в декабре 1907 года. Председательствующий, известный хирург П. И. Дьяконов, сказал:
«Я думаю, что никто из нас не будет спорить, что сообщение, сделанное доктором Герценом, редкое и выдающееся, что в лице доктора Герцена профессор Ру имеет редкого ученика. Случай этот открывает нам новые горизонты, теперь мы не можем считать таких больных безнадежными».
Много лет спустя П. А. Герцен получил письмо от своей бывшей пациентки.
«Многоуважаемый Петр Александрович!
Я решила напомнить о себе. Вероятно, Вы меня забыли, но я до сего дня живу. Прошло много лет, когда Ваши руки сделали мне первой в России искусственный пищевод в Старо-Екатерининской больнице. До сего времени я жива и здорова. Имею сына 15 лет… Чувствую себя хорошо.
Операция создания искусственного пищевода из тонкой кишки, проведенной предгрудинно, вошла в учебники и руководства под названием «операции Ру — Герцена». Она и до сих пор применяется в хирургии.
Петр Александрович — один из выдающихся исследователей в области хирургии сосудов и сердца. В книге «Хирургическое лечение травматических аневризм» он подробно излагает симптомы аневризм (изменений и повреждений стенки артерии), клинику заболевания, возникающие осложнения, показания и противопоказания к оперативному лечению, а также методы операций. Это была первая русская монография (опубликована в 1911 году), наиболее полно освещающая эту важную проблему, которая в последующем приобретет особое значение и определит тактику военно-полевых хирургов при ранении кровеносных сосудов в годы мировой и Отечественной войн.
П. А. Герцен был одним из первых, кто при перевязке артерий стал лигировать (перевязывать) и одноименную вену с целью предупреждения гангрены конечности. Большой интерес представляет описание редкого случая перевязки безымянной артерии по поводу артериовенозной аневризмы. Операция завершилась выздоровлением больного. Тогда в мировой печати были описаны всего 11 подобных операций.
В 1940 году Петр Александрович написал монографию «О кровотечениях», посвятив ее Советской Армии. Несмотря на то что эта тема многократно освещалась в специальной литературе, исследование Герцена имело важное значение. Излагая материал, накопленный за ряд войн, автор приводил новейшие для того времени данные о свертывании крови, роли гепарина, тромбоббразоваиии, а также подчеркивал важность технических деталей, которые следует иметь в виду при наложении лигатуры на сосуд. Описывая огнестрельные повреждения почечных сосудов и печени, Герцен изложил оригинальный чрезбрюшинный способ перевязки почечных сосудов.
Петр Александрович мечтал о большой хирургии сердца. В своей ранней статье о хирургии сердечных заболеваний он пишет, что «два органа являются для широкой хирургии неприступными вершинами — это пищевод и сердце. Пора объявить поход за овладение этими разделами хирургии».
Герцен в числе первых в нашей стране накладывает шов при ранении сердца. Две подобные операции им были выполнены еще в 1902 году, и обе успешно. Он подробно излагает диагностику ранений сердца, технику операции, подчеркивая, что «деятельность сердца от этого не страдает». Он одобрительно относился к опытам известного хирурга Н. Н. Теребинского и патофизиолога С. С. Брюхоненко, проводивших эксперименты на собаках с временным обескровливанием сердца и прямым вмешательством на его клапанах.