Начав службу в артиллерии, Несторов очень скоро заинтересовался полетами – в 1913 году окончил воздухоплавательную школу и был направлен в недавно сформированный авиационный отряд.
Петр Нестеров прославился как пионер отечественного воздухоплавания – он занимался конструкторской работой, теоретическими изысканиями и сам проверял их на практике. Работал над проблемами тактического применения авиации. Обосновав расчетами возможность глубокого маневрирования в воздухе, он сам же и реализовал его.
В 1913 году Нестеров выполнил казавшийся до того невероятным маневр – на самолете Ньюпор-4 описал окружность в вертикальной плоскости. Это событие считается началом высшего пилотажа в авиации, сам же элемент получил впоследствии название «петля Нестерова». Петр Нестеров лично установил несколько рекордов в воздухе (по продолжительности перелета, по скорости).
С началом войны направлен на Юго-Западный фронт. Погиб Нестеров в бою, сделав первый в истории воздушный таран, которым сбил австрийский разведывательный самолет.
Именем Петра Нестерова названы улицы в разных российских городах, учреждена государственная награда — Медаль Нестерова. Проводятся международные соревнования по высшему пилотажу на кубок Петра Нестерова.