В 1909 г. путешественник нанес новый визит правителю Тибета – на этот раз в буддийском монастыре Гумбум (в провинции Амдо, в Восточном Тибете). Завязывание близких отношений с Далай-ламой и его приближенными имело не только важное политическое значение, с точки зрения укрепления русско-тибетских связей, но было весьма полезным и в личном плане, поскольку открывало перед пытливым исследователем двери в запретную для европейцев Лхасу.

Этим обстоятельством Козлов попытался воспользоваться в 1914 г., начав подготовку к новому большому путешествию. Экспедиция проектировалась как Монголо-Тибетская. Ее целью должно было стать дополнительное исследование развалин Хара-Хото и изучение Тибетского нагорья, главным образом бассейнов верхнего течения трех великих рек Азии: Янцзы, Меконга и Салуэна. В то же время Козлов втайне надеялся, что ему наконец-то удастся осуществить свою и своего учителя заветную мечту – побывать в Лхасе. Но в его планы неожиданно вмешалась мировая война. В результате полковник Генштаба П. К. Козлов отправился на Юго-Западный фронт, где некоторое время исполнял должность коменданта городов Тарнов и Яссы. А затем в 1915 г. его командировали в Монголию во главе особой правительственной экспедиции («Монголэкс»), занимавшейся закупками скота для нужд действующей армии.

Октябрьскую революцию Козлов воспринял неоднозначно, но от сотрудничества с большевиками не отказался. Не последнюю роль в этом сыграла его востребованность новой властью. Уже в ноябре 1917 г. Российская академия наук назначает Козлова комиссаром в знаменитый крымский акклиматизационный зоопарк-заповедник Аскания-Нова. Такое назначение не было случайным: хорошо знакомый с самим зоопарком и его основателем Ф. Э. Фальц-Фейном, Козлов еще до войны энергично выступал за скорейшую национализацию этого уникального уголка природы. И в новых политических условиях он продолжил борьбу за сохранение зоопарка от разграбления и уничтожения, итогом которой стал декрет правительства советской Украины о «сбережении» Аскании-Нова в апреле 1919 г.

С окончанием гражданской войны появилась надежда на возобновление исследовательской деятельности, на новое путешествие в любимую Центральную Азию. 22 августа 1922 г. Козлов выступил с докладом в Совете Русского географического общества и поднял вопрос о возрождении несостоявшейся Монголо-Тибетской экспедиции на тех же основаниях и с той же программой научных исследований, какая была предложена Обществу в 1914 г. Руководство общества горячо поддержало планы Козлова, рассчитывая с помощью новой большой экспедиции поднять престиж Общества и возродить его былую славу главного организатора экспедиционных исследований внутри и за пределами России.

Сразу же после своего заседания Совет РГО направил в Совнарком РСФСР ходатайство о разрешении провести 2–3 годичную экспедицию в Монголию и Тибет. В письме руководителей Общества эта экспедиция была представлена как нечто совершенно исключительное, «единственное в своем роде предприятие», «важнейший географический подвиг». При этом подчеркивалось, что от нее ожидают не только «блестящих результатов в научном отношении» – экспедиция Козлова может, кроме того, иметь и «немаловажные практические результаты, завязав новые, более тесные сношения с народностями Центральной Азии».

Такое разрешение было получено без особого труда. 26 января 1923 г. проект экспедиции был рассмотрен Временным Комитетом науки при Госплане, который постановил «отпустить 50 тыс. рублей в серебряных ланах и 50 тыс. в золотом исчислении советскими знаками на оборудование экспедиции Козлова в Тибет».

Политическая обстановка того времени – обострение англо-советских отношений – не позволила, однако, П. К. Козлову совершить путешествие в Тибет, который в то время находился в сфере английского влияния. Научная программа уже утвержденной экспедиции была радикально пересмотрена – П. К. Козлов отказался от поездки в далекий Тибет, сосредоточив свои усилия на исследовании сопредельной с СССР Монголии. И здесь ему вновь сопутствовала удача. В 1924–1925 гг. экспедиция произвела раскопки древних могильных курганов к северу от Урги (совр. Улан-Батор) в горах Ноин-ула. Раскопки эти принесли сенсацию – в курганах было найдено большое количество прекрасно сохранившихся предметов: ткани, войлочные ковры с изображениями мифических животных, женские косы, седла, изделия из бронзы, монеты, керамика и многое другое. Впоследствии ученые установили, что погребения принадлежат гуннам Ханьской эпохи III–I веков до н. э.

Летом 1925 г. по завершении раскопок, экспедиция разделилась на две партии: одна, под руководством С. А. Глаголева, направилась в Монгольский Алтай и оттуда в Хара-Хото для дополнительных раскопок и снятия плана городища; другая, которой руководил сам Козлов, выступила в направлении Южного Хангая. Вырвавшись наконец-то на «светлый научный простор Азии», Козлов ведет интенсивную археологическую разведку, занимается маршрутной съемкой, пополняет ботаническую и зоологическую коллекции. Около пяти месяцев его отряд находился в предгорьях Хангая на юге Монголии. Здесь ученый затеял новые раскопки в урочище Олун-сумэ на месте развалин древнего монастыря, принесшие немало новых ценных находок. Заключительный этап экспедиции (весна-лето 1926 г.) – это палеонтологические раскопки вблизи реки Холт, орнитологические наблюдения на озере Орок-нор, которыми руководила жена путешественника Е. В. Козлова, посещение Хара-Хото на Эдзин-голе.

Подводя итоги трехлетней деятельности Монголо-Тибетской экспедиции, следует сказать, что своим научным достижениям она обязана не только П. К. Козлову, ее организатору и руководителю, но и его молодым, энергичным и, безусловно, талантливым спутникам. Особенно большой вклад в работу экспедиции внесли Е. В. Козлова, Н. В. Павлов и С. А. Кондратьев. Первая исключительно плодотворно занималась орнитологическими исследованиями, которые были продолжены в последующие годы и завершились публикацией сводного труда: «Птицы Юго-западного Забайкалья, Северной Монголии и Гоби» (Л., 1930). Заслуживают упоминания и работы Н. В. Павлова, связанные с изучением флоры высокогорного Хангая. Наконец С. А. Кондратьев, руководивший раскопками первого ноин-улинского кургана, принесшего наиболее ценные находки, и в то же время с большим успехом занимавшийся собиранием и изучением музыкального монгольского фольклора. Эти оба направления в его исследовательской деятельности также оставили след в науке.

Экспедиция П. К. Козлова в Монголию в 1923–1926 гг. оказалась его последним центральноазиатским путешествием. Несмотря на громкий успех ноин-улинских раскопок, исследователь все же испытывал немалое разочарование, оттого что не сумел выполнить своей основной задачи, завещанной ему великим Н. М. Пржевальским – побывать в наиболее недоступных частях центрального Тибета, прежде всего в Лхасе.

П. К. Козлов провел в путешествиях в общей сложности почти 17 лет. Необычайно суровые климатические условия азиатских высокогорий и пустынь не могли не отразиться на его здоровье. Физические силы были на исходе, но неутомимый исследователь продолжал вести активный образ жизни – часто выступал с лекциями, писал статьи, участвовал в работе РГО и Академии наук. В 1928 г. АН Украинской ССР избрала его своим действительным членом.