Летом 1911 года познакомился с учеником профессора Николая Жуковского — Петром Соколовым, с которым построили планер и сумели поднять его в воздух. Этот полет стал началом летной деятельности Нестерова. В 1912 году Петр окончил Петербургскую офицерскую воздухоплавательную школу и получил звание пилота-авиатора и военного летчика. Свой первый самостоятельный вылет на самолете осуществил в том же году.
Вскоре он был назначен в авиационный отряд, формировавшийся в Киеве, где талант летчика и военного специалиста Нестерова проявился в полной мере. Став опытным пилотом, занимался и конструкторской деятельностью — разработал проект самолета без вертикального оперения, конструкцию двигателя с воздушным охлаждением, занимался строительством одноместного скоростного самолета, разрабатывал вопросы взаимодействия авиации с наземными войсками и ведения воздушного боя, освоил ночные полеты.
Петр Николаевич изучал маневренные возможности самолетов, теоретически обосновал возможность выполнения глубоких виражей и кренов, а также самостоятельно осуществил их на практике. Для доказательства своих идей в 1913 году впервые в мире выполнил «мертвую петлю», впоследствии названную «петлей Нестерова», тем самым положив начало высшему пилотажу. Помимо этого, Нестеров организовал и лично участвовал в нескольких групповых дальних перелетах, которые для того времени стали большим достижением. Во время одного из них впервые в истории авиации им проводилась маршрутная киносъемка.
