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.
Законспирированный большевик, «статский советник» Штернберг не оставлял научной работы. После выполнения задания партии по составлению плана Москвы он продолжает работу на большом астрографе и фотографическим методом выясняет относительное положение компонент двойных звезд, а также определяет собственное движение некоторых туманностей. И эта его работа приводит в восторг специалистов высоким уровнем исполнения и точностью, о которой мечтают астрономы. Эти исследования легли в основу книги «Некоторые применения фотографии к изменению двойных звезд», которая послужила докторской диссертацией ученого.
С 1914 года Штернберг назначается профессором кафедры астрономии, а в 1916 году и директором Московской обсерватории. Обремененный административными обязанностями, он все же не оставляет большой научно-исследовательской работы. Так, в 1915 году с группой ученых Павел Карлович проводит гравиметрическое изучение Московской губернии, а в последующие годы живо интересуется вопросами организации научной работы по астрономии в России.