В 1927 г. научный руководитель П.П. Шумилова Л.С.Лейбензон пригласил его на работу в Государственный исследовательский нефтяной институт (ГИНИ) в качестве научного сотрудника. Первой научной (дипломной) работой П.П. Шумилова стало исследование по теме «Теплопередача в жидкостях и газах, движущихся по трубам при турбулентном режиме». С первых шагов на научном поприще П.П. Шумилов активно включился в решение важнейших задач по изучению процессов теплопередачи при движении нефти и нефтепродуктов. В публикациях 1929–1932 гг. теоретические исследования сочетались с решением конкретных задач. Выполненный Шумиловым П.П. в ГИНИ комплекс исследований по гидравлике и теплопередаче стал важным этапом в создании теории нефтяной гидравлики. В 1932-1934 гг. Пётр Шумилов принимал активное участие в написании первого полного курса нефтяной гидравлики, который на протяжении многих лет являлся базовым учебником для специалистов-нефтяников. Кроме того, в эти годы совместно с В.С. Яблонским он создал практический курс по теории теплопередачи.

Теоретические исследования П.П. Шумилова всегда имели практическое воплощение. Так, широкое распространение в нефтяной отрасли нашел предложенный ученым способ перекачки высоковязких нефтепродуктов с применением внутреннего подогрева, большое практическое значение имели методы совершенствования теплового хозяйства нефтескладов, транспортировка светлых нефтепродуктов в зимнее время и др. Ему принадлежит идея и внедрение оригинального метода «водозеркального подогрева».

В 1932 г. П.П. Шумилов обратился к идее создания турбобура. В это время он возглавляет сектор бурения, а затем отдел промысловой механики ГИНИ, где занимается работой по расчету муфтовых соединений обсадных труб с серьезными теоретическими выкладками, использующимися до последнего времени. Параллельно с работой в ГИНИ с 1930 г. П.П. Шумилов занимал должность доцента кафедры нефтепромысловой механики Московского нефтяного института им. акад. Губкина. В дальнейшем он читал курсы гидравлики, механики, сопротивления материалов и теории теплопередачи в московском и бакинском нефтяных институтах, а также в Московском университете. Повсеместный переход на вращательный (роторный) способ бурения позволил резко увеличить темп углубления скважин и сократить время их строительства. Но с ростом глубины бурения участились аварии, связанные с поломкой бурильных труб. Турбобур Капелюшникова, выявивший принципиальную возможность использования забойного двигателя, оказался неконкурентоспособным по отношению к роторному способу бурения. Проведя всесторонний анализ работы этого первого советского турбобура, П.П. Шумилов пришел к принципиально новой в машиностроении идее применения многоступенчатой аксиальной (осевой) турбины.

С 1933 г. он начинает заниматься турбинным бурением. Для воплощения своих замыслов ему нужна была производственная база и испытательный полигон, поэтому в 1934 г. он на несколько лет переехал в Баку. Там он создал Экспериментальную контору турбинного бурения (ЭКТБ), в которой собрал талантливых инженеров – специалистов по буровой технике: Р.А.Иоаннесяна, Э.М.Тагиева, М.Т.Гусмана. К 1933 г. П.П.  Шумилов разработал основные принципы теории осевых многоступенчатых турбин. Подойдя радикально к проблеме турбобура, в котором применение редуктора не исключалось, но в силу определенных технических трудностей было весьма нежелательно, он решил задачу преобразования гидравлической мощности непосредственно в лопаточном аппарате турбины путем дифференцированного напора в значительном числе ступеней. В 1935 г. на промысле Карачухун состоялось первое испытание многоступенчатого безредукторного турбобура системы П.П. Шумилова. Этот турбобур отличался простотой конструкции, был дешев в производстве и эксплуатации и определил новый подход к режиму бурения скважин. На это изобретение группа инженеров во главе с П.П. Шумиловым получила авторское свидетельство № 59755.

После нескольких лет творческих исканий в Экспериментальной конторе бурения под руководством П.П. Шумилова была создана техника турбинного бурения нефтяных скважин. Решающее значение для успеха этой работы имели огромная научная эрудиция, незаурядная энергия и работоспособность П.П. Шумилова. Были подобраны и исследованы конструкции буровых долот, насосов, бурильных труб и другого оборудования и инструмента, отвечающего требованиям технологии турбинного бурения. В это же время закладываются основы технологии турбинного бурения вертикальных и наклонных, наклонно-направленных, искусственно искривленных скважин. Дальнейшее развитие конструкций турбобуров было успешно продолжено Р.А.Иоаннесяном, М.Т.Гусманом и др. К началу Великой Отечественной войны безредукторным турбобуром было пройдено большое количество скважин не только на нефтепромыслах Азербайджана, но и на новых нефтеносных площадях Башкирии. Были сделаны первые попытки прохождения наклонно направленных и горизонтальных скважин как на суше, так и на море. В годы войны Шумилов Пётр Павлович переключился на создание оборонной техники. Буквально за полгода он разработал и довел до полигонных испытаний принципиально новое противотанковое оружие индивидуального применения, не имеющее аналогов в мире.

Умер П.П. Шумилов в августе 1942 г. во время испытания этого оружия. В 2002 г. в Политехническом музее был создан документальный фонд Петра Шумилова. Основу его составили материалы из семейного архива ученого.