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.