Воздухоплавание увлекает его. Он внимательно изучает опыт боевой работы воздухоплавателей, разбирает характер боевых заданий, выполняемых на воздухоплавательных аппаратах, и приходит к выводу, что боевое применение их может быть значительно расширено и во время военных действий привязные и свободные аэростаты можно использовать гораздо эффективнее.
Воздухоплавание настолько увлекает Нестерова, что он решает перейти на службу в воздухоплавательную роту и делает ряд попыток осуществить это. Однако только спустя год он был направлен в качестве прикомандированного офицера в воздухоплавательную роту.
Петр Николаевич с присущей ему энергией и рвением осваивает новую специальность. Вскоре ему уже поручают ответственные задания по фотографированию местности, изучению метеорологических условий на больших высотах и др.
На маневрах войск Иркутского военного округа Нестеров производит разведывательные полеты, доставляет ценные данные о «противнике» и помогает корректировать огонь артиллерии. На этих маневрах Нестеров и ряд других военных аэронавтов наглядно продемонстрировали возможность более эффективного использования воздухоплавательных аппаратов в интересах наземных войск.
Достижения Нестерова и его товарищей-воздухоплавателей были настолько очевидны, что заставили многих командиров, скептически относившихся к использованию воздухоплавательных аппаратов на войне, изменить свое мнение о них. Однако продолжать опыты по боевому применению воздухоплавательных аппаратов Нестерову не удалось. Имевшиеся в роте аэростаты были настолько изношены, что командование запретило производить на них какие-либо опытные полеты. В других воздухоплавательных частях царской армии было то же самое. В России не было дирижаблестроительной промышленности, и царское правительство саботировало ее развитие, — в этом деле, как и во многих других, Россия целиком зависела от Запада. За воздухоплавательные аппараты приходилось платить втридорога заграничным фирмам, и поэтому их не хватало для оснащения воинских частей.
Нестеров, находясь на службе в воздухоплавательной роте, не только в совершенстве освоил практику полетов на аэростатах, но и глубоко изучил теоретические работы русских ученых в области воздухоплавания и авиации — Н. Е. Жуковского, Д. И. Менделеева и др.
Опыты подъема аппарата тяжелее воздуха с использованием тяги винтов, проведенные знаменитым русским изобретателем А. Ф. Можайским в начале 80-х годов прошлого столетия \ открыли новую эру в покорении воздушной стихии. Самолет был значительно более эффективным средством передвижения по воздуху, нежели аэростат. В 1909—1910 гг. русские летчики — зачинатели русской отечественной авиации — уже производили показательные полеты на самолетах в Одессе, Петербурге и в Москве. Выдающиеся по своему мастерству полеты авиаторов Михаила Ефимова, Сергея Уточкина, Александра Васильева, Николая Попова, Льва Мациевича и др. вызывали изумление и восхищение многочисленных зрителей. Интерес к авиации все больше возрастал.
Нестеров внимательно следил за успехами русских авиаторов. Особенно интересовали его экспериментальные полеты первого русского летчика, ставшего всемирным рекордсменом, М. Н. Ефимова, который с каждым новым полетом все более совершенствовал технику управления самолетом. Ефимов успешно выполнял на самолете виражи с большим креном, производил планирующий полет с выключенным мотором, снижение с включенным мотором (пикирующий полет), очень точно рассчитывал посадку самолета. Обо всех этих достижениях сообщалось в газетах и журналах.
Все больше и больше захватывает Петра Николаевича Нестерова желание овладеть полетом на самолете, и он решает во что бы то ни стало попасть в летную школу. В 1911 году Петр Николаевич получил длительный отпуск и уехал с семьей лечиться на Кавказ, а затем в Нижний Новгород к своей матери, и это помешало ему лично увидеть показательные полеты одного из учеников М. Н. Ефимова — Я. И. Седова, работавшего у Ефимова механиком и приехавшего на Дальний Восток для демонстрации своего летного мастерства. Седов успешно производил полеты во Владивостоке, Харбине, Чите, Иркутске, Омске, Томске и Новониколаевске. Во Владивостоке Я. И. Седову, как первому авиатору на Дальнем Востоке, был вручен ценный подарок.