По предложению Нестеренко приказом командующего Южным фронтом для прикрытия разрыва между Южным и Юго-Западным фронтами, куда прорывались танковые и механизированные колонны врага, в Дачном была сформирована подвижная группа фронта. В подвижную группу под командованием А. И. Нестеренко входили: 8, 49 ГМП, 14 ОГМДМ, два зенитных дивизиона — 113-й и 240-й, два стрелковых и артиллерийский полки 176-й стрелковой дивизии, противотанковые батареи. Подвижная группа прошла боевой путь в Сальских степях и у Манычского канала. Прикрываясь стрелковыми подразделениями и огнем зенитных и противотанковых батарей, непрерывно маневрируя на стокилометровом фронте, группа наносила массированные удары залповым огнем «катюш». Немецкие танки не выдерживали ударов «катюш», несли потери, отходили и искали обходные пути, замедляя наступление. Подвижная группа в течение недели сдерживала бронетанковые и механизированные колонны врага, нанося им огромный урон, не давая прорваться через разрыв между Южным и Юго-Западным фронтами на рубеже Буденновская — Бекетный, а затем — в разрыв между 12-й и 37-й армиями. Это был единственный случай в истории боевых действий, когда основную тяжесть борьбы с танками и мотопехотой противника несли гвардейские минометные части, а стрелковые части были подчинены начальнику оперативной группы ГМЧ фронта, обеспечивая прикрытие гвардейским минометам. За эту операцию Буденный и Малиновский представили Нестеренко к званию Героя Советского Союза, но, видимо, общая картина отступления показалась Сталину неподходящим фоном для награждения.
Летом 1942 г. в составе Черноморской группы Северо-Кавказского фронта в ходе ведения боевых действий ГМЧ в горах под руководством Нестеренко в войсковых условиях были применены переносные и вьючные «катюши». Было изготовлено 58 горных установок М-8-8 и сформировано 12 батарей. Эти «катюши» применялись в боях на Гойтхском перевале, на горах Семашхо, Два Брата, Индюк, на Малой земле под Новороссийском, у реки Пшиш, в начавшемся наступлении Северо-Кавказского фронта на Краснодар (август 1942—март 1943). Эти же установки впервые использовались на катерах и кораблях Черноморского флота при нанесении огневого удара по Анапе и в десантной операции под Новороссийском. Был также разработан железнодорожный вариант на дрезинах. 7.12.1942 г. Нестеренко присвоено звание генерал-майора артиллерии. Ему тогда было 34 года.
В 1943 г. Нестеренко вместе со своим штабом и частями обеспечения был направлен на Брянский фронт, которым командовал генерал-полковник М. А. Рейтер, позже — М. М. Попов.
В оперативную группу ГМЧ Брянского фронта под командованием Нестеренко входили: 2-я и 3-я гвардейские минометные дивизии (по три бригады в каждой) и 8-я отдельная бригада М-30, шесть отдельных полков М-13 (85, 93, 310, 311, 312, 313 ГМП) и дивизион М-8. В каждой бригаде четырехдивизионного состава имелось 288 пусковых станков, в дивизии 864, которые одновременно могли выпустить 3456 снарядов М-30 общим весом 320 т. Вот какая огромная мощь (практически артиллерийский корпус прорыва) была в руках Нестеренко для контрнаступления против сильно укрепленной обороны немцев в Курской битве. Полтора года немцы создавали Кривцовский узел обороны. 18 минут потребовалось нашим войскам, чтобы за огневым валом PC захватить его. Плотность разрывов достигала 30–50 на гектар. Оставшиеся в живых оглушенные и обезумевшие немцы бежали в нашу сторону с поднятыми руками и криками: «Гитлер капут!» По показаниям пленных, не уцелело ни одного блиндажа, ни одной огневой точки. 80-100 % живой силы и вооружения было уничтожено.
5 августа Москва салютовала освободителям Орла и Белгорода в честь пяти фронтов, среди которых был и Брянский. 17 сентября Москва салютовала освободителям Брянска и Бежицы. 310 и 74 ГМП получили наименование Бежицких. На Брянском фронте 28.8.1943 г. Нестеренко получил звание генерал-лейтенанта артиллерии и был награжден за боевые отличия двумя орденами Отечественной войны 1-й степени (18.5.1943 и 27.8.1943). Распоряжением Ставки Брянский фронт расформировывался, его армии переподчинялись Центральному фронту, а штаб, органы управления, части и соединения фронтового подчинения во главе с командующим фронтом Поповым перебрасывались в район Великих Лук и Невеля Псковской области, где из войск Северо-Западного, частично Калининского и Брянского фронтов создавался 2-й Прибалтийский фронт.
С 1 апреля 1945 г. войска 2-го Прибалтийского и часть войск 1-го Прибалтийского и Ленинградского фронтов, блокирующие курляндскую группировку немцев из 36 дивизий группы армий «Север», были объединены в Ленинградский фронт под командованием Маршала Советского Союза Л. А. Говорова. Нестеренко стал заместителем командующего артиллерией этого фронта. В состав оперативной группы ГМЧ Ленинградского фронта входили одна дивизия и четыре отдельные бригады М-31, а также 17 полков М-13. За боевые отличия на этом фронте Нестеренко награжден орденом Кутузова 2-й степени (29.6.1945). День Победы застал его за подготовкой к наступлению против курляндской группировки немцев. Курляндская группировка немцев в составе более 300 тыс. человек капитулировала.