Однако, через несколько месяцев после приезда в Варшаву, уже в 1847 году, он был арестован по делу Кирилло-Мефодиевского братства и отправлен на следствие в Петербург. Вынесенный ему приговор состоял в четырехмесячном заключении в Петропавловскую крепость и ссылке в Вятку. Благодаря хлопотам друзей наказание заменили поселением под надзор полиции в Тулу с запретом печататься. Но поскольку никаких конкретных преступлений ему инкриминировано не было, уже в 1850 году он получил разрешение вернуться в Петербург. Еще не имея разрешения на публикацию своих произведений, всецело отдался литературной и научной работе.
После смерти Николая I Пантелеймону Кулишу разрешили печататься, и он развернул широкую общественную и публицистическую деятельность. В 1856–1857 годах он издает «Записки о Южной Руси» (в двух томах), потом — первый исторический роман на украинском языке «Черная рада, хроника 1663 года» (1859). Это произведение ознаменовало его переход от романтического восприятия национального прошлого к историко-этнографическому реализму. Он смотрит на казачество критически, описывая его не как однородную массу, а как сложный конгломерат людей различного социального происхождения и положения с несхожими стремлениями и политическими убеждениями. Однако в целом его оценка роли казачества в истории Украины еще остается положительной.
К концу 1850-х годов в Петербурге собрались многие из бывших членов Кирилло-Мефодиевского братства, освобожденные от наложенных на них наказаний, в частности Н. Костомаров, В. Белозерский и Т. Шевченко. Оставаясь приверженцами идей народного просвещения и социального освобождения, в обстановке подготавливавшихся под эгидой Александра II общественных преобразований, они вместе активно включились в работу. В то время на правительственном уровне встал вопрос об открытии начальных украинских школ, для работы которых Кулиш подготовил и издал свою украинскую «Граматку» (1857). Тогда же в Петербурге он основал издательство, в котором публиковал произведения украинских писателей прошлого и современников, а также стал выпускать альманах «Хата». Вместе с В. Белозерским, Н. Костомаровым и Т. Шевченко он создает петербургскую украинскую «Громаду», большинство представителей которой стояли на либерально-демократических позициях. Члены этого общества создали журнал «Основа», выходивший в 1861–1862 годах, в котором Кулиш поместил несколько своих литературных и исторических произведений, в частности один раздел «Истории Украины от древнейших времен», «Хмельнищину» и «Виговщину». В 1862 году печатается его стихотворный сборник «Заутреня. Думы и поэмы». Тогда же, едва ли не первым среди интеллектуалов Приднепровской Украины, он устанавливает и поддерживает связи с западноукраинскими (галицийскими) народниками («народовцами»). С кризисом украинского национального (шире — либерально-демократического) движения в 1863 году, в связи с польским восстанием, в Петербурге прекращается издание «Основы». Как государственный служащий, Кулиш по назначению в 1864 году переезжает в усмиренную российскими войсками Варшаву. Там он тщательно знакомится с польскими источниками относительно украинской истории, в частности казацких времен. Это способствует окончательному отвержению его прежнего, романтического восприятия прошлого родной страны, в том числе и наиболее героических страниц Освободительной войны под руководством Б. Хмельницкого.
В середине 1860-х годов П. Кулиш активно сотрудничал с галицийскими народниками, печатая во львовских периодических изданиях свои произведения, в частности «Руину», посвященную страшным для Украины последствиям гетманских усобиц, а также польско-российско-турецким войнам, приведшим к опустошению страны после смерти Б. Хмельницкого. Это критическое и реалистическое освещение кровавого прошлого, тем более — сотрудничество с галицийскими демократами, находившимися в подданстве Австрии, вызывает резкое недовольство начальства. Но Кулиш отвергает требование прекратить связи с львовскими друзьями, поэтому в 1868 году уходит в отставку.
Освободившись от должностных обязанностей, он отправляется за границу и непосредственно знакомится с культурой западных стран. Но большую часть времени он живет во Львове, где сотрудничает с местными журналами и публикует свои переводы библейских текстов на украинский язык. По примеру чешских славянофилов предыдущих десятилетий, он стремился полностью передать Библию народным языком, что иногда приводило к курьезным оборотам. Однако создание украинского перевода Священного Писания, доступного пониманию простого народа, стало знаменательной вехой в истории национальной культуры.
К концу 1860-х годов отношение Кулиша к роли казачества в украинской истории становится откровенно отрицательным. Массовые народные восстания XVI–XVII веков он воспринимает теперь как разрушительную стихию, противостоящую цивилизаторской миссии Польши на востоке. При этом он не идеализирует колониальную политику поляков на Украине, видит чинившиеся ими жестокости, попрание народных прав и святынь. Однако, следуя собственному пониманию исторических моментов, Кулиш отмечает их более высокий культурный уровень и определенную цивилизаторскую миссию.
Эти настроения, во многом воспроизводившие традиционные для польской историографии взгляды, отразились в исследовании «Первый период казачества от его начала до вражды с поляками», изданном во Львове в 1868 году. Находясь в Галиции и поддерживая дружественные отношения как с местными русинскими (украинскими), так и с польскими кругами, Кулиш прилагал немало усилий для их примирения. Но вражда между этими национальными лагерями, на общем фоне усиления в Европе националистических настроений, год от года все более разгоралась.
С начала 1860-х годов Кулиш, как и многие другие украинские и русские демократически настроенные интеллигенты (достаточно вспомнить хотя бы А. Герцена), с сочувствием и симпатией воспринимал польское национально-освободительное движение. Однако то пренебрежительное отношение, неприкрытое бахвальство, с которым многие поляки относились ко всему украинскому (не только православному, но и униатскому — греко-католическому), формировало у него все более критический взгляд на историческую роль Польши в Восточной Европе.
Кулиш глубже знакомится с социально-политическими воззрениями европейских мыслителей XIX века, в частности с позитивизмом, под влиянием которого проникается мыслью о высоком значении науки и технических достижений для общественного развития. Его религиозные представления постепенно трансформируются в сторону признания общей для всех народов «естественной религии». Но центральной темой его раздумий всегда остается Украина.
Разочаровавшись в цивилизаторских претензиях польских кругов, все более опиравшихся на либерально настроенное по отношению к ним правительство Австро-Венгрии, Кулиш в 1871 году возвращается в Российскую империю, где продолжает исследовать историю украинского казачества. Изжив свой прежний юношеский романтизм и разочаровавшись в идее польской миссии на Украине, П. Кулиш в зрелом возрасте искренне, без всякой конъюнктурной установки, склоняется к положительной оценке факта воссоединения Украины с Россией.
Он не идеализировал российского самодержавия и его жестокого отношения к украинскому народу. Однако, придя к выводу о неспособности казачества создать собственное государство, он полагал, что присоединение к России было наименьшим из возможных зол (учитывая хаос времен «Руины» и вполне реальные для второй половины XVII века перспективы восстановления власти Польши или подчинения Турции). С этих позиций были написаны трехтомная «История воссоединения Руси» с прилагавшимся к ней дополнительным томом «Материалов» (1874–1877), а также «Малеванная Гетманщина» (1876), и «Казаки по отношению к государству и обществу» (1877). В этих произведениях автор решительно выступает против идеализации казачества и гайдаматчины, представляет их как деструктивные силы, лишенные идеалов государственности. Это, в сущности, означало принятие господствовавших в официальной имперской историографии взглядов на прошлое присоединенных земель и народов, что вызвало негодование украинской общественности.
