Помимо строительства железных дорог, Павел Петрович Мельников проявил себя в следующих научных работах и трудах:

• Книга «О железных дорогах» (1835) — первое в России учебное пособие по железнодорожному транспорту. 4 В ней Мельников рассмотрел все существовавшие тогда виды тяги: конную, самотаски, стационарные паровые машины и локомотивы, обосновал преимущество железных рельсов перед чугунными и выполнил ряд расчётов, послуживших основой для дальнейших исследований. 5
• «Основания практической гидравлики, или О движении воды в различных случаях и действии её ударом и сопротивлением» (1836) — курс, который в 50-х годах расценивался как единственное пособие по этому предмету на русском языке. 5
• «Записки практической механики» (1838). 2
• «О Сибирской железной дороге» (1869). 2
• «К истории развития пароходства на Волге» (1938). 2
• «Начало железнодорожного строительства в России» (1940). 2

Также Мельников работал над проблемой конструирования мостов, разработал метод измерения сцепления колёс поезда с рельсами на различных уклонах дороги и определил рациональную раскладку шпал под рельсами для уменьшения их прогиба при прохождении поезда. 3