Петрей попал в Россию в разгар Смуты. Находясь в непосредственной близости от царя, он стал свидетелем массового голода 1601 — 1603 гг. и вызванного им кризиса власти, а также появления и триумфального вступления Лжедмитрия в Москву, и его восшествия на престол.
Находясь в России, Петрей, по его собственным словам, «тщательно наблюдал и описывал их (русских. — Г. К.) веру и богослужебные обряды, правление, государственное устройство, также все их нравы, обычаи, занятия, ремесла и торговлю, военные способы, равно изобилие страны в хлебе, скоте, диких зверях, птицах и рыбах, прекрасные текущие по ней реки, ручьи и ключи, веселые леса и рощи с растущими в них разными деревьями, душистыми лугами и полями, населенные города и местечки, сильные крепости и укрепления, недавно миновавшие войны».
Вернувшись в Швецию, Петрей вновь поступил на службу к герцогу Карлу, ставшему к тому времени королем Карлом IX. По его поручению он пишет свое сочинение «Реляция о России начала XVII века», адресованное «всем верноподданным шведской короны». В нем он освещает события в России, начиная с правления Бориса Годунова, до воцарения Василия Шуйского. Приводя доказательства того, что Гришка Отрепьев не мог быть «природным» сыном царя, он вносит свою лепту в международный спор о личности Лжедмитрия I. При этом он разоблачает козни Сигизмунда против России и Швеции. Эта небольшая книга Петрея, изданная в 1608 г., подготовила почву для шведского вооруженного вмешательства в русские дела.
В 1615 г. в Швеции, а в 1622 г. на немецком языке в Лейпциге вышло основанное не только на личных впечатлениях, но и на русских и иностранных источниках главное сочинение Петрея «История о великом княжестве Московском, происхождении великих русских князей, недавних смутах, произведенных там тремя Лжедмитриями, и о московских законах, нравах, правлении, вере и обрядах», которое стало первым историко-политическим сочинением о Московии на шведском языке. Оно насчитывает более 500 страниц и состоит из шести книг, в которых рассказывается о географическом положении Московского государства, его истории от Рюрика до Михаила Федоровича, царском дворе, военном деле, обычаях, повседневной жизни, праздниках и религии русского народа.
Важное место в «Истории» занимает Великий Новгород, к которому шведы традиционно проявляли особый интерес. Петрей описал его былое величие и современное состояние, особо отметив, что в старину Новгород был «особым государством, имел своих князей и правителей. Он подробно освещает действия шведских войск под командованием Якоба Делагарди в Новгородской земле, переговоры шведов с новгородскими властями о приглашении на русский престол шведского принца Карла Филиппа. Стремясь обосновать его права на московский престол, Петрей сообщил о варяжском происхождении Рюрика.
