В 1720-х годах Кирилов руководил работами по топографической съемке России В 1727 году вышел в свет его большой труд "Цветущее состояние Всероссийского государства", в котором впервые было дано подробное географо-статистическое описание России Под руководством Кирилова велась подготовка первого выпуска "Атласа Всероссийской империи", опубликованного в 1734 году.
В 1733 году он выступил с инициативой — организовать экспедицию на юго-восточную окраину России. Одна из главных задач экспедиции состояла в закладке города-крепости Оренбурга при впадении реки Орь в Яик, поэтому она получила название Оренбургской экспедиции. В ее задачи также входило выявление полезных ископаемых, получение новых сведений о местном населении, его истории, быте, хозяйстве, составление географических карт.
Оренбургскую экспедицию возглавил сам И. К. Кирилов. Он всячески стремился к тому, чтобы привлечь к сотрудничеству ученых. С этой целью он связался с Академией наук и сделал попытку пригласить в экспедицию ботаника академика Иоганна Аммана и архитектора К Ф. Шеслера. Однако оба они отказались от приглашения; мало кому хотелось ехать из благоустроенного Петербурга в неизведанную глушь. Но все же Кирилову удалось пригласить к работе в экспедиции целый ряд известных в то время ученых. Так с Кириловым поехал известный ботаник И. Г. Гейнцельман. Свои ботанические материалы он отправлял в Академию наук и Карлу Линнею. Копии рукописных работ Гейнцельмана "Флора самарская" и "Флора оренбургская" хранятся ныне в Швеции в библиотеке Линнея. Для оренбургской флоры Гейнцельман указал 401 вид растений. В составе экспедиции работали астроном и математик Д. Эльтон, геодезисты П. Чичагов, А. Клешнин, М. Пестриков, живописец англичанин Джон Кэстль и другие.
К работе в экспедиции Кирилов старался привлечь способных русских людей. Он обратил внимание на трудолюбие и незаурядные способности молодого Рычкова и пригласил его на должность бухгалтера экспедиции. В представлении о личном составе экспедиции Кирилов писал: "Бухгалтера ныне достойного еще не приискал, токмо в бухгалтерском деле знающего из русских Петра Рычкова нижайше прошу на первый случай со мной отпустить, который был здесь при портовой таможне у бухгалтерских дел и по-немецки читать и писать умеет…"(5). С 1734 года и до конца своей жизни служил Рычков в Оренбургском крае. За это время сменилось немало правителей губернии. Но первым наставником Рычкова был И. К. Кирилов. Именно под его влиянием у Петра Рычкова развился интерес к научным изысканиям и, в частности, к составлению географических карт (ландкарт) и географических описаний.
