В 1859 г. познакомился с Львом Николаевичем Толстым, с которым у него установились дружеские отношения. П.И. Бартенев редактировал первое издание «Войны и мира» Л.Н. Толстого, выступая как консультант по историческим вопросам. С 1863 г. по совету А.С. Хомякова и при поддержке Г.А. Черткова П.И. Бартенев приступил к изданию «Русского архива» (в 1863–1873 гг. при Чертковской библиотеке) – первого русского журнала, посвящённого публикации исторических и историко-литературных материалов (до 1866 г. соредактором П.И. Бартенева был коллекционер рукописей Н.С. Киселёв). Журнал издавался ежемесячно, каждые четыре номера составляли одну книгу. За 50 лет (до смерти П.И. Бартенева в 1912 г.) вышло 600 ежемесячников (150 книг) журнала. В 1913–1917 гг. издание «Русского архива» продолжил П.С. Бартенев – внук П.И. Бартенева. П.И. Бартенев, лично выполнявший почти всю редакционную работу от поиска документов до подготовки их к печати, опубликовал в «Русском архиве» огромное количество официальных и частных документов из государственных и семейных архивов, отражающих историю России, преимущественно в XVIII–XIX вв.: мемуары, дневники, письма, стихотворения, рисунки и гравюры. Особое внимание историк уделял материалам, относящимся к царствованиям Петра I и Екатерины II, видным политическим и военным деятелям, писателям, поэтам, учёным, крупным историческим событиям (войнам, реформам, дипломатии). П.И. Бартенев первым опубликовал воспоминания, дневники и письма декабристов. Значительную часть публикаций в «Русском архиве» составляют материалы по русской церковной истории (более 190 названий). Многие из них посвящены Московскому митрополиту Филарету (Дроздову), с которым П.И. Бартенев был хорошо знаком. В журнале широко представлена переписка святителя с обер-прокурорами Святейшего Синода, архиереями, настоятелями монастырей, миссионерами, светскими лицами. Интересны мемуары митрополита Филарета и записанные разными лицами его рассказы: «Рассказы митрополита Филарета, записанные А.В. Горским» (1897 г. кн. 1), «Воспоминания и отзывы Филарета, записанные его викарием преосвященным Леонидом» (1901 г. кн. 1), «Из воспоминаний митрополита Филарета» (1906 г. кн. 3). В «Русском архиве» увидели свет письма Московских  патриархов Никона (1873 г. кн. 2) и Адриана (1903 г. кн. 3), Ростовского митрополита Димитрия (Туптало; 1872 г. кн. 1), архиепископа Феофана (Прокоповича 1863 г. кн. 2; 1865 г. кн. 1), Московского митрополита Платона (Левшина; 1897 г. кн. 2), Киевского митрополита Евгения (Болховитинова; 1873 г. кн. 1), архимандрита Фотия (Спасского; 1863 г. кн. 3; 1869 г. кн. 2; 1870 г. кн. 1; 1871 г. кн. 3; 1878 г. кн. 2; 1895 г. кн. 3; 1896 г. кн. 1) и др. Среди мемуаров духовных лиц, напечатанных П.И. Бартеневым, – «Записки первоприсутствующего в Священном Синоде» Херсонского архиепископа Никанора (Бровковича; 1906 г. кн. 1-4; 1908 г. кн. 1-3; 1909 г. кн. 1), «Из записок» Тверского архиепископа Саввы (Тихомирова; 1908 г. кн. 3; 1914 г. кн. 3), «Книга бытия моего» Чигиринского епископа Порфирия (Успенского; 1910 г. кн. 3-4) и др. В «Русском архиве» были напечатаны биографические исследования «Ириней, архиепископ Псковский» Николая Ивановича Григоровича (1869 г. кн. 2), «Филарет, архиепископ Черниговский» (1887 г. кн. 2-3), «Митрополит Амвросий (Подобедов)» К.Я. Лаврова (1904 г. кн. 1), «Биографический очерк» обер-прокурора Святейшего Синода графа Дмитрия Андреевича Толстого о ректоре Московской духовной академии протоиерее Александре Васильевиче Горском (1875 г. кн. 3).