Великую Отечественную войну майор Нестеренко встретил с этим же полком в Белоруссии на Западном фронте, где уже 23 июня отражал прорыв фашистских танковых колонн у деревни Товстюны, 35 км северо-западнее Лиды. Встречный бой был тяжелый, неравный, но и враги понесли немалые потери. С боями приходилось отступать перед превосходящими силами противника. В июле Нестеренко прорвался с подразделениями полка, в полной форме, с оружием и Знаменем, из окружения к Мозырю, после чего был направлен в резерв Западного фронта. По дороге в Москве побывал в ЦК партии и в оперативном отделе Генштаба, для которых написал докладную записку с изложением опыта боев и своими соображениями. В августе 1941 г. в лагерях 1-го Московского Краснознаменного артиллерийского училища им. Л. Б. Красина в Алабино под Москвой формировал 4-й гвардейский минометный полк реактивной артиллерии Резерва Верховного Главнокомандования в числе первых восьми формируемых полков «катюш». Полк был вооружен боевыми машинами БМ-13 на трехосном автомобиле ЗИС-6. 16 реактивных осколочно-фугасных снарядов М-13 с направляющих установки БМ-13 могли быть выпушены в течение 8—10 секунд на максимальную дальность до 8470 м. В его полку было 3 дивизиона по 3 батареи (четвертый дивизион был отправлен в Ленинград), 1414 человек (из них 137 офицеров), 36 боевых машин, 12 зенитных 37-миллиметровых пушек, 9 зенитных и 18 ручных пулеметов, а также 343 грузовые и специальные машины. Залп его полка трехдивизионного состава составлял 576 снарядов 132-миллиметрового калибра. Вес взрывчатого вещества снаряда 4,9 кг. Первый залп «катюши» его полка произвели под гоголевской Диканькой в Полтавской области 25.9.1941 г. Здесь начался боевой путь полка. Дивизионным залпом в урочище Переруб была разгромлена и бежала с поля боя группировка пехоты и кавалерии противника, изготовившаяся к атаке. В боях под Диканькой враг был задержан на 14 суток. По показаниям пленных, 101-я пехотная дивизия противника потеряла до 30–40 % своего состава от огня 4 ГМП. В Диканьке в парке им. Гоголя после войны в семидесятых годах по просьбе жителей поселка при помощи Нестеренко был установлен памятник «катюшам» его полка — реактивная установка БМ-13 на постаменте. На открытие памятника вместе с ветеранами полка был приглашен Нестеренко, которому благодарные жители присвоили звание почетного гражданина Диканьки.
Участвовал в боевых действиях на Западном (июнь — июль 1941), Юго-Западном (сентябрь 1941—март 1942), Северо-Западном (апрель — май 1942), Южном (май 1942—август 1942), Северо-Кавказском (Черноморская группа август 1942—март 1943), Брянском (март 1943—октябрь 1943), 2-м Прибалтийском (октябрь 1943—март 1945) и Ленинградском фронтах (апрель 1945—май 1945) в качестве командира 170-го артполка 137-й стрелковой дивизии (июнь — июль 1941), командира 4-го гвардейского полка реактивной артиллерии РВГК (сентябрь 1941—март 1942), представителя командующего гвардейскими минометными частями Ставки Верховного Главнокомандования (апрель — май 1942), начальника оперативных групп гвардейских минометных частей фронтов (с мая 1942 до августа 1944), заместителя командующего артиллерией фронтов (с августа 1944 по май 1945). Воевал под командованием таких известных военачальников, как С. М. Буденный, Л. А. Говоров, А. И. Еременко, Р. Я. Малиновский, П. А. Курочкин, И. Е. Петров, М. М. Попов, М. А. Рейтер, А. И. Антонов, Н. А. Булганин, Л. М. Сандалов, Ю. П. Бажанов, В. И. Вознюк, Н. В. Гавриленко, Л. М. Гайдуков, А. Д. Зубанов, М. И. Неделин, Г. Ф. Одинцов. В боях взаимодействовал с войсками, которыми командовали К. С. Москаленко, П. М. Козлов, В. Д. Крюченкин, А. И. Родимцев, И. Н. Руссиянов, Ф. М. Харитонов и др. Под его командованием воевали такие известные ракетчики, как А. Г. Карась, А. Ф. Тверецкий. Г. А. Тюлин и др.
В качестве командира 4 ГМП Нестеренко под Винником (4.10. 1941) впервые применил батарейный залп прямой наводкой, в результате чего была разгромлена колонна противника на марше.