26 августа 1897 г. Пётр Нестеров был принят в Нижегородский кадетский корпус, где служил его отец. В 1904 г. в числе шести лучших выпускников, закончивших обучение, был направлен в Михайловское артиллерийское училище. В 1906 г., отлично выдержав выпускные экзамены, Нестеров был произведён в подпоручики и направлен в 9-ю Восточно-Сибирскую стрелковую артиллерийскую бригаду. Служил во Владивостоке, где разработал правила корректировки артиллерийской стрельбы с помощью аэростата. В июле–августе 1911 г., находясь в отпуске в Нижнем Новгороде, Пётр Николаевич познакомился с учеником профессора Н.Е. Жуковского П.П. Соколовым и вскоре стал членом Нижегородского общества воздухоплавания. В мае 1912 г. Нестеров сдал экзамены на звания пилота-авиатора и военного лётчика, а в сентябре 25-летний поручик совершил свой первый самостоятельный полёт. В 1913 г. он окончил курс авиационного отдела офицерской Воздухоплавательной школы, а в мае назначен в авиационный отряд, формировавшийся в Киеве.
Нестеров занимался и конструкторской деятельностью. В начале 1914 г. он с помощью механика отряда Г.М. Нелидова модифицировал аэроплан «Ньюпор-4». На фактически новом самолёте они выполнили несколько полётов продолжительностью около часа.
В 1913 г. Нестеров разработал конструкцию семицилиндрового двигателя мощностью 120 лошадиных сил с воздушным охлаждением.
Владея глубокими знаниями в области математики и механики, имея достаточный пилотажный опыт, Нестеров теоретически обосновал возможность выполнения глубоких виражей и осуществил их на практике. В своей работе «О взаимодействии руля глубины и направления при значительных углах крена» он впервые доказал, что во время выполнения виражей с креном более 45 градусов происходит изменение в работе руля: руль высоты выполняет функции руля направления, а руль направления — руля высоты. После назначения командиром отряда Нестеров ввёл обучение полётам с глубокими виражами и посадку с выключенным двигателем.
В августе 1913 г. Нестеров во главе 3 машин возглавил групповой перелёт по маршруту Киев—Остер—Козелец—Нежин—Киев с посадками. Во время перелёта, впервые в истории авиации, проводилась маршрутная киносъёмка. В первой половине 1914 г. он осуществил ещё два перелёта: Киев—Одесса за 3 часа 10 минут и Киев—Гатчина за 9 часов 35 минут. Для того времени это было большим достижением.
27 августа 1913 г. в Киеве над Сырецким полем Нестеров впервые в мире выполнил замкнутую петлю в вертикальной плоскости на самолёте «Ньюпор-4». Этим манёвром Нестеров фактически положил начало высшему пилотажу. Спустя двенадцать дней ту же самую авиационную фигуру повторил француз Адольф Пегу. Это событие получило широкую огласку в иностранной и в российской прессе. Когда в мае 1914 г. Пегу прибыл в Петербург для демонстрации «мёртвой петли», редакции некоторых российских газет вышли с заголовками: «Императорскому аэроклубу уже давно необходимо подтвердить, что первую „мёртвую петлю“ совершил русский лётчик».
10 февраля 1914 г. Киевское общество воздухоплавания отметило Нестерова за научную разработку вопроса о глубоких кренах и за осуществлённую им «мёртвую петлю», присудив ему золотую медаль общества. Позже киевское городское руководство от лица города вручило отважному пилоту-новатору памятный золотой жетон.
В августе 1914 г. П.Н. Нестеров был произведён в штабс-капитаны и назначен начальником 11-го авиационного отряда. С началом Первой мировой войны он отбыл на Юго-Западный фронт. Нестеров осуществлял воздушную разведку, выполнил одну из первых в России бомбардировок артиллерийскими снарядами.
За время Первой мировой войны штабс-капитан Нестеров совершил 28 боевых вылетов. За несколько дней до гибели он был награждён своим третьим орденом — Св. Владимира IV степени.
8 сентября 1914 г. над городом Жолква Нестеров протаранил двухместный «Альбатрос», в котором находились австрийские лётчики: пилот Франц Малина и наблюдатель барон Фридрих фон Розенталь. Австрийцы вели воздушную разведку. «Альбатрос» пытался уйти от столкновения, но Нестеров настиг их и ударил колёсами своего «Морана» сверху. Оба аэроплана упали на землю, все лётчики погибли.
П.Н. Нестеров похоронен в Киеве на Лукьяновском кладбище.
Нестеров, скорее всего, не собирался уничтожать разведывательный неприятельский самолёт ценой собственной жизни. К воздушной катастрофе привело то, что он использовал в последнем полёте не свой аэроплан, который в тот день оказался неисправен, а более тяжёлую, хотя и однотипную машину другого лётчика.
В Акте расследования по обстоятельствам геройской кончины начальника 11-го корпусного авиационного отряда штабс-капитана Нестерова указывалось: «Штабс-капитан Нестеров уже давно выражал мнение, что является возможным сбить неприятельский воздушный аппарат ударами сверху колёсами собственной машины по поддерживающим поверхностям неприятельского аппарата, причём допускал возможность благополучного исхода для таранящего лётчика».