Во время новой войны с Турцией Петр Алексеевич участвовал в тяжелой осаде Очакова (1788). При штурме крепости Пален командовал колонной, которая должна была первой проникнуть в Очаков и выстрелами ракет подать сигнал к общему штурму. По случайности ракеты взлетели, едва колонна тронулась с места, но именно это и решило благополучный исход предприятия. Турки не смогли отбить одновременную атаку на всех участках, и османская твердыня капитулировала. В 1790 г. Екатерина II назначила Палена управляющим рижским наместничеством. Император Павел I отправил его в отставку за то, что он дал обед в честь своего опального приятеля П. А. Зубова. Тем не менее по непонятной прихоти государь вскоре не только простил Палена, но и сделал его петербургским генерал-губернатором.
Заступив в должность, Петр Алексеевич постарался избавиться от наиболее обременительной заботы: контроля за исполнением павловских указов «о внешнем благочинии». Все связанные с этим хлопоты он переложил на обер-полицмейстера, а сам интересовался ими лишь в тех случаях, когда речь шла о ходатайстве перед государем за кого-либо из нарушителей. Неудивительно, что в глазах современников «Пален пользовался репутацией честного и прямого человека, обладал полной доверенностью государя, вел себя весьма благородно, правлением его все были довольны. Высокого роста, сухощавый, с величественной фигурой, ласковым обращением с народом, он невольно заставлял уважать себя». В правление Палена был принят Устав столичного города Санкт-Петербурга (1798), согласно которому вместо органов самоуправления была создана подчинявшаяся генерал-губернатору Комиссия о снабжения резиденции припасами. В ее ведении находились городское управление и хозяйство, сбор платежей, строительство казенных зданий, расквартировка войск, регулирование застройки, утверждение проектов новых зданий.
Несмотря на успехи в карьере, Пален, видимо, опасался, что царские милости чреваты новыми, еще более худшими неприятностями. Еще в начале 1800 г. Петр Алексеевич начал организовывать заговор против императора, однако его план едва не был сорван после назначения столичным генерал-губернатором генерала Н. С. Свечина. Задействовав все свое влияние, Пален уже через два месяца вернул свою должность и принялся форсировать события. В ночь с 11 на 12 марта 1801 г. две группы заговорщиков ворвались в тогдашнюю резиденцию монарха – Михайловский замок. Отряд, возглавляемый Л. Л. Беннигсенном, расправился с императором в его собственной спальне. Пален со своими людьми прибыл к месту событий, когда все уже было кончено...
Новый монарх Александр I, хотя и был обязан Петру Алексеевичу престолом, так и не смог простить ему смерть отца, а потому предпочел тихо спровадить Палена на пенсию. Скончался бывший петербургский генерал-губернатор в одном из своих курляндских поместий, неподалеку от Митавы.