Прошло четыре года студенческой жизни. Университет окончен. Стараниями Бредихина выпускник Штернберг остается при университете. Впереди — подготовка к профессорскому званию. Его зачислили сверхштатным ассистентом обсерватории с весьма скудным жалованьем. Не беда, что молодому человеку придется подрабатывать где-то на стороне. Главное — работа по душе. Штернберг был искренне доволен своей судьбой и считал себя счастливейшим человеком в мире.
Прошло еще три года. За это время Бредихин переехал в Пулково. Вместо него директором Московской обсерватории стал Цераский, а его должность штатного астронома-наблюдателя занял Штернберг. Незадолго до знаменательного события молодой ученый сдал магистерский экзамен и был утвержден приват-доцентом. Мечта его сбылась: он стал кадровым работником обсерватории. Теперь Штернберг мог посвятить себя целиком самостоятельной исследовательской работе.
Первая большая работа Штернберга, выполненная в обсерватории, посвящена определению широты Московской обсерватории в связи с движением полюсов Земли. Этой работе он посвятил 10 лет напряженного труда. По мнению специалистов, она является образцом добросовестности и точности исполнения. В процессе выполнения работы ученому пришлось быть одновременно и конструктором, и механиком, и слесарем, и токарем. Штернберг самым тщательным образом исследовал и учел всевозможные ошибки, которые бывают при наблюдениях и их обработке. За этот труд Павел Карлович получил степень магистра и был удостоен медали Русского астрономического общества.
Еще не окончив первого исследования, ученый ведет кропотливую работу в других направлениях. В «Анналах» обсерватории он печатает одну статью за другой, посвященные определению сил тяжести поворотным маятником, результатам измерений фотографическим путем звезды гамма Девы, фотографическим наблюдениям за прохождением Меркурия по диску Солнца.
Штернберг был видным организатором науки. В 90-х годах по его инициативе и под его руководством переоборудовалась Московская обсерватория. Благодаря находчивости и смекалке Павла Карловича в обсерватории установили главный инструмент — 15-дюймовый астрограф. Устранение дефектов и приспособление регулятора к новому инструменту является исключительно заслугой неутомимого Штернберга.
Ученый не замыкается в рамках одной астрономии. Являясь сторонником женского образования, он с группой передовых ученых добивается возобновления работы Высших женских курсов в Москве и ведет там сферическую и практическую астрономию. Лекции Штернберга отличались продуманностью, глубоким внутренним содержанием, прекрасным внешним оформлением и собирали большую аудиторию.
В 1905 году П. К. Штернберг вступил в Российскую социал-демократическую рабочую партию и с этих пор связал свою жизнь с русской революцией, став ее видным деятелем. В самые тяжелые годы подготовки и свершения первой русской революции он принимал активнейшее участие в событиях. Он стал образцовым конспиратором. Казалось, что, кроме своей астрономии, этот угрюмый на вид человек ничего не знает и знать не хочет. Так по крайней мере думали его сотрудники. А на самом деле в груди его всегда билось сердце революционера, готового по зову партии ринуться в бой, целиком отдать себя делу рабочего класса и, если нужно, пожертвовать собой.
В январе 1906 года Штернберг вернулся из заграничной командировки в Москву. Это было после поражения декабрьского вооруженного восстания, когда Россия захлебывалась в крови от разгула карательных экспедиций, когда партия ушла в подполье. Вот тут-то и понадобился Павел Карлович, который был тогда вне подозрений. Ему партия поручила сохранить оружие, уцелевшее после декабрьского восстания. С этой задачей ученый справился блестяще. Ему даже удалось часть оружия спрятать у себя в обсерватории.
Ученый-большевик принял самое активное участие и в Великой Октябрьской социалистической революции. Еще до ее свершения Штернберг был видным работником Военно-технического бюро Московского комитета партии, в задачу которого входило изготовление оружия и боеприпасов, а также составление детального плана Москвы как будущего плацдарма военных действий.
Составление плана города Штернберг взял полностью на себя. На карту нужно было нанести не только площади, улицы и переулки, но и проходные дворы, заборы, дома и другие сооружения, а также данные о их высоте и протяженности. Такой план создавался впервые и должен был выполняться на глазах полицейских и горожан. Предвиделись большие трудности, связанные с немалым риском. Долг большевика требовал идти навстречу опасности и преодолеть ее.
Чтобы избежать провала, следовало применить хитрость. Для этого Штернберг через университетское начальство добился от высших городских властей разрешения производить наблюдение над напряжением силы тяжести в самой Москве, причем разъяснялось, что работа будет производиться методом нивелиро-теодолитной съемки и что последняя диктуется необходимостью выяснения возможных залежей железа и других металлов под самой Москвой.
После того как разрешение было получено, Штернберг приступил к детальной съемке плана Москвы. Работу производили студенты, а также переодетые в студенческое платье рабочие, прошедшие предварительную подготовку под руководством Штернберга.
Необходимый партии план Москвы со всеми стратегическими данными был составлен. И когда в 1917 году развернулись решающие бои с буржуазией, этот план оказал большую услугу делу революции.