Через шесть лет нахождения в должности П.А. Клейнмихель становится генерал-адъютантом. Произведенный в 1829 г. в генерал-лейтенанты, во время Польского восстания 1831 г. он исполнял должность дежурного генерала резервной армии в Северо-Западном крае, а 1 мая 1832 г. был назначен дежурным генералом Главного штаба. С переформированием управления военными поселениями в департамент (1835) становится его директором, одновременно заведуя инспекторским департаментом Военного министерства. 16 апреля 1841 г. он был произведен в генералы от инфантерии.

В годы царствования Николая I П.А. Клейнмихель участвовал в работах многих комиссий, созданных для изучения или для реформирования частей армии и флота, по сооружению разных построек в Петербурге. Так, в 1828–1829 гг. он руководил строительством Дома трудолюбия и Патриотического института, в 1835 г. – зданий Чесменской богадельни, но особое благоволение монарха заслужил, работая в комиссии по воссозданию сгоревшего в 1837 г. Зимнего дворца. По этому случаю специально для него была выбита золотая медаль с надписью: «Усердие все превозмогает». По окончании работ в марте 1839 г. ему был пожалован титул графа. Клейнмихелю поручали исполнение ответственных проектов: сооружение зданий военного госпиталя, моста через Неву (открыт 21 ноября 1850 г. и назывался сначала Благовещенским, затем Николаевским). Тогда же он работал в комиссии по сооружению новых зданий Эрмитажа. Короткое время даже исполнял должность военного министра. 1 февраля 1842 г. П.А. Клейнмихель вошел в состав комитета и строительной комиссии, учрежденной для прокладки Николаевской железной дороги, соединившей С.-Петербург с Москвой. 11 августа 1842 г. он был назначен главноуправляющим путями сообщения и публичными зданиями и оставался в этой должности до октября 1855 г.

Главным же делом П.А. Клейнмихеля в период 1940-х – начала 1950-х гг. является строительство Николаевской железной дороги. Паровозное движение по ней началось в 1846 г. сначала на участке от Петербурга до Колпина, к этому же времени был устроен и Александровский завод; затем в 1849 г. было открыто движение между Петербургом и Чудовым и между Тверью и Вышним Волочком. Вся линия начала действовать 1 ноября 1851 г. Государь живо интересовался ходом постройки и деятельностью Клейнмихеля был очень доволен. Однако стоила она казне массы денег, а народу – человеческих жертв: постройка магистрали обошлась свыше 64 млн рублей, по 107 тыс. pублей на версту. П.А. Клейнмихель также руководил и строительством новых шоссейных дорог.

По восшествии на престол Александра II любимец Николая I одним из первых был уволен от должности министра путей сообщения в возрасте 62 лет с оставлением в звании члена Государственного совета, в делах которого почти не принимал участия.

Заметим, что в середине XIX в. имя П.А. Клейнмихеля воспринималось в российском обществе весьма негативно, а его падение произвело весьма отрадное впечатление. Его низвержению радовались, словно неожиданному семейному празднику, о чем красноречиво рассказал популярный в те годы прозаик и драматург Нестор Кукольник: «Я узнал об этом вожделенном событии на Московской железной дороге, на станции, где сменяются поезда. Радости, шуткам, толкам не было конца, но пуще других честил его какой-то ражий и рыжий купец в лисьей шубе.

– Да за что Вы его так ругаете? – спросил я. – Видно, он Вам насолил.

– Никак нет! Мы с ним, благодарение Господу, никаких дел не имели. Мы его, Бог миловал, никогда и в глаза не видали.

– Так как же Вы его браните, а сами-то и не видали.