カムチャツカ半島について、西洋にくわしい情報がもたらされはじめたのは17世紀に入ってからです。イワン ・カムチャツキー
や セミョン・ デジニョフ などのロシアの探検家が、この地域の情報を紹介しました。17世紀末には入植もはじまりました。

1697年、カムチャツカのはるか北、チュコト半島にあるアナディリから出発した ウラディーミル
・アトラーソフ 率いる約120人の軍勢がカムチャツカの西海岸を南に進み、アイヌと戦いました。先住民族カムチャダールの集落には和人「デンベエ」がおり、アトラーソフはこれを捕らえ、モスクワに連れ帰りました。「デンベエ」はモスクワで日本語学校の校長として生涯を終えています。

ロシア帝国は、1697年にカムチャツカ半島の領有を宣言しました。その後、ピョートル大帝は、デンマーク人海軍士官ヴィートゥス・ベーリングにシベリア極東部や北太平洋の調査を命じました。1706年ごろには、カムチャツカはロシアの実効支配を受けるようになりました。

1713年ごろには、約500名のコサックが居住していました。

ペトロパブロフスク・カムチャツキー市は、1740年の第2次カムチャツカ探検のとき、ベーリングとチリコフが越冬用に建設したペトロパブロフスク城砦を始まりとしています。この名前は、探検に用いられた聖使徒ピョートル号と聖使徒パーヴェル号という船の名前から取られました。市制施行は1822年です。

その後、ロシア帝国の勢力は、北はチュコト半島、東はアリューシャン列島を経てアラスカへと拡大し、また千島列島を南進しました。天然の良港・ペトロパブロフスク・カムチャツキー市はロシア帝国極東地域の拠点として、また毛皮の捕獲基地として、繁栄しました。1854年のクリミア戦争では、英仏連合艦隊の攻撃を受けたものの、戦略的後退ののち街を再建しました。