Родился в Нижнем Новгороде в семье офицера. Окончил Нижнегородский кадетский корпус (1904) и Михайловское артиллерийское училище в Санкт-Петербурге (1906).

Служил в 9-й Восточно-Сибирской стрелковой артиллерийской бригаде (г. Владивосток). 

Отец Нестеровой Маргариты Петровны.

Был членом Нижегородского общества воздухоплавания. В 1912 году сдал экзамены на звания пилота-авиатора и военного лётчика, а уже в 1913 году окончил авиационный отдел Офицерской Воздухоплавательной школы. 

Находясь в авиационном отряде в Киеве, модифицировал стоявший на вооружении в армии самолёт «Ньюпор-4», разработал конструкцию семицилиндрового двигателя, занимался разработками скоростного одноместного самолёта. 

9 (22) сентября 1913 года над Сырецким полем киевского аэродрома на самолете «Ньюпор-4» совершил «мёртвую петлю». За это он был удостоен золотой медали Киевского Общества воздухоплавания. 

Во время Первой мировой войны командовал авиационным отрядом на Юго-Западном фронте. Он осуществлял не только разведку, но и бомбардировку, и был настолько умелым лётчиком, что австрийское командование назначило за его обезвреживание крупную награду. В районе городка Жолква штабс-капитан Нестеров совершил свой последний подвиг: впервые в истории боевой авиации он применил таран, сбив австрийский разведывательный самолёт ценой собственной жизни.

Похоронен в Киеве (Украина) на Лукьяновском кладбище.

Награды: ордена Св. Анны 3-й степени (07.03.1913); Св. Станислава 3-й степени (25.12.1912); Св. Владимира 4-й степени (09.08.1914); Св. Георгия 4-й степени (25.01.1915, посмертно).

Память: в Нижегородском районе Нижнего Новгорода его именем названа улица, на которой установлен памятник лётчику (1987). На корпусе № 2 в Нижегородском кремле - памятная доска.