В числе шести лучших выпускников Петр Николаевич был после окончания корпуса направлен в Михайловское артиллерийское училище. В 1906, отлично выдержав выпускные экзамены, Нестеров, произведенный в подпоручики, попал по распределению в 9-ю Восточно-Сибирскую стрелковую артиллерийскую бригаду, служил во Владивостоке, где лично разработал правила корректирования стрельбы из аэростата.
Увлечение авиацией началось у Петра Николаевича с 1910 года. В 1912 году Нестеров сдал экзамены на звания пилота-авиатора и военного летчика, и уже первый самостоятельный полет 25-летний поручик Петр Нестеров совершил в сентябре 1912 г. В 1913 году окончил курс авиационного отдела офицерской Воздухоплавательной школы. В мае 1913 года он был назначен в авиационный отряд, формировавшийся в Киеве, с прикомандированием к 7-й воздухоплавательной роте, а в июне переведен в 11-й корпусный отряд 3-й авиационной роты. Вскоре Петр Николаевич стал командиром отряда. Перед отправкой на новое место службы его направили в Варшаву для обучения на самолете «Ньюпор», которые тогда приняли на вооружение армии.
Став опытным пилотом, Нестеров занимался и конструкторской деятельностью. В 1910 году, будучи артиллеристом, Петр Николаевич построил планер и летал на нем. Позже, на основе изучения полета птиц, он разработал проект оригинального самолета без вертикального оперения. Воинское ведомство отклонило проект, но Нестеров продолжал совершенствовать свою машину. Летом 1913 года проект был одобрен, но без предоставления средств.
В 1913 году Петр Нестеров разработал исследовательскую конструкцию семицилиндрового двигателя мощностью 120 л. с воздушным охлаждением. Позже авиатор занимался строительством одноместного скоростного самолета, закончить который помешала война.
Владея глубокими знаниями в области математики и механики, имея достаточный пилотажный опыт, П. М. Нестеров теоретически обосновал возможность выполнения глубоких виражей и осуществил их на практике.
Для доказательства своей идеи, согласно которой «в воздухе для самолета всюду опора», 27 августа 1913 года в Киеве над Сырецким полем П. Н. Нестеров впервые в мире выполнил на самолете «Ньюпор-4» замкнутую петлю в вертикальной плоскости. Этим маневром Нестеров положил начало высшему пилотажу.
Согласно рапорту, летчик на высоте 800-1000 метров, выключил мотор и начал пикировать. На высоте около 600 метров, включил мотор, поднял самолет вверх, описал вертикальную петлю и пошел в пике. Мотор снова выключил, выровнял самолет и, спускаясь по плавной спирали, благополучно приземлился.
В 1914 году Нестеров был произведен в штабс-капитаны и назначен начальником авиационного отряда. С началом первой мировой войны он отбыл на Юго-Западный фронт. Осуществив за время войны 28 вылетов 8 сентября 1914 года, около городка Жолква Петр Николаевич Нестеров совершил свой последний подвиг — протаранил немецкий самолет.
