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.