Родился в Нижнем Новгороде 27 февраля (15 февраля по старому стилю) 1887 года в семье офицера-воспитателя кадетского корпуса Николая Федоровича Нестерова (1863—1890). После неожиданной смерти отца материальное положение семьи сильно ухудшилось. Его мать, Маргарита Викторовна, не имея средств на оплату жилья, была вынуждена переехать вместе с четырьмя детьми во Вдовий дом. 26 августа (8 сентября по старому стилю) 1897 года Нестеров поступил в Нижегородский кадетский корпус, где в своё время его отец занимал должность воспитателя. В 1904 году Нестеров закончил корпус.
После окончания корпуса Пётр Николаевич в числе шести лучших выпускников был направлен в Михайловское артиллерийское училище. В 1906, отлично выдержав выпускные экзамены, Нестеров, произведённый 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 июле—августе 1911 года, находясь в отпуске в Нижнем Новгороде, Пётр Николаевич познакомился с учеником профессора Н. Е. Жуковского — Петром Петровичем Соколовым и вскоре стал членом Нижегородского общества воздухоплавания. В 1912 году Нестеров сдал экзамены на звания пилота-авиатора и военного лётчика, и уже в сентябре 1912 г 25-летний поручик Пётр Нестеров совершил первый самостоятельный полет, а 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 переведён в 11-й корпусный отряд 3-й авиационной роты. Вскоре Пётр 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, ещё будучи артиллеристом, Пётр Николаевич построил планёр и летал на нём. Позже, на основе изучения полета птиц, он разработал проект оригинального самолёта без вертикального оперения. Воинское ведомство отклонило проект, но Нестеров продолжал совершенствовать свою машину. Летом 1913 года проект был одобрен, но без предоставления средств. Находясь в Киеве, в начале 1914 года Нестеров с помощью старшего механика отряда Г. М. Нелидова модифицировал самолет «Ньюпор—4»: укоротив фюзеляж на 0,7 м, снял вертикальное оперение, рули высоты были оставлены, но их размах значительно увеличили и ввели большую площадь аэродинамической компенсации. На этом самолёте выполнили несколько испытательных полётов продолжительностью около часа, после которых выявились существенные недостатки в предложенной Нестеровым схеме. О дальнейших испытаниях этого аппарата данных нет.
В 1913 году Пётр Нестеров разработал исследовательскую конструкцию семицилиндрового двигателя мощностью 120 л. с. с воздушным охлаждением. Позже авиатор занимался строительством одноместного скоростного самолёта, закончить который помешала война.
Владея глубокими знаниями в области математики и механики, имея достаточный пилотажный опыт, П. Н. 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 больше 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 отключенным двигателем на заранее намеченную площадку.
Он также разрабатывал вопросы взаимодействия авиации с наземными войсками и ведения воздушного боя, освоил ночные полёты. В августе 1913 года возглавил групповой перелёт (в составе трёх машин) по маршруту Киев — Остёр — Козелец — Нежин — Киев с посадками на полевых аэродромах. Во время перелёта впервые в истории авиации проводилась маршрутная киносъёмка. В первой половине 1914 года Пётр Николаевич осуществил два перелёта: Киев — Одесса за 3 часа 10 минут и Киев — Гатчина за 9 часов 35 минут. Для того времени это было большим достижением.
Идея о мёртвой петле зародилась у Нестерова ещё до 1912 года, но в этом году, будучи учеником гатчинского авиационного отряда, он уже теоретически доказал возможность «мёртвой петли». "Воздух есть среда вполне однородная во всех направлениях. Он будет удерживать в любом положении самолет при правильном управлении им, " — писал он. В выходящем при школе «Альманахе», выпускаемом учениками, в том же 1912 году была напечатана следующая шарада «Кто он?»:
На эту шараду Нестеров, угадавший себя в этом четверостишии, ответил так:
Для доказательства своей идеи, согласно которой «в воздухе для самолёта всюду опора», 27 августа 1913 года в Киеве над Сырецким полем П. Н. Нестеров впервые в мире выполнил на самолёте «Ньюпор—4» с двигателем «Гном» в 70 л. с. замкнутую петлю в вертикальной плоскости. Этим манёвром Нестеров положил начало высшему пилотажу.
Из Иллюстрированного журнала Искры Воскресенье, 25 мая 1914 года № 20
Из Иллюстрированного журнала Искры Воскресенье, 7 сентября 1914 года № 35
Спустя шесть дней эту сложную авиационную фигуру повторил француз Адольф Пегу. Именно это событие получило широкую огласку и в иностранной и в российской прессе. В мае 1914 года Пегу прибыл в Санкт-Петербург для демонстрации «мёртвой петли». В ответ Нестеров разослал телеграммы в редакции российских газет: «Императорскому аэроклубу уже давно необходимо подтвердить, что первую „мёртвую петлю“ совершил русский лётчик…» Французский лётчик лично встретился с Нестеровым и признал приоритет россиянина, а 18 мая Нестеров, Пегу и Н. Е. Жуковский совместно выступили в Политехническом музее.
В зарубежной исторической прессе авторство «мёртвой петли» приписывается асу кайзеровских ВВС Максу Иммельману как «петля Иммельмана».
10 февраля 1914 года Киевское Общество воздухоплавания отметило Нестерова за научную разработку вопроса о глубоких кренах и за осуществленную им «мёртвую петлю», присудив ему золотую медаль Общества. Позже Киевское городское руководство от лица города вручило отважному пилоту-новатору памятный золотой жетон, с которым Пётр Николаевич никогда не расставался. Также являлся кавалером орденов Святой Анны ІІІ степени и Святого Станислава ІІІ степени. Посмертно награждён орденом Святого Георгия IV степени (25.1.1915).
В 1914 году Нестеров был произведён в штабс-капитаны и назначен начальником авиационного отряда. С началом Первой мировой войны он отбыл на Юго-Западный фронт, 11 авиаотряд принимал участие в боях за Львов. Нестеров осуществлял воздушную разведку, выполнил одну из первых в России бомбардировок приспособленными для этого артиллерийскими снарядами. Бомбометание было проведено лётчиком так эффективно, что австрийское командование пообещало крупную денежную награду тому, кто собьёт аэроплан Нестерова.
Осуществив за время войны 28 вылетов, 8 сентября (26 августа по старому стилю) 1914 года около городка Жолква Пётр Николаевич Нестеров совершил свой последний подвиг — протаранил самолёт, в котором находились пилот Франц Малина (Franz Malina) и пилот-наблюдатель барон Фридрих фон Розенталь (Friedrich von Rosenthal), которые вели воздушную разведку передвижения русских войск. Дело в том, что в начале войны самолёты всех воюющих стран, кроме русского «Ильи Муромца», не имели пулемётов. Командование считало, что основная задача авиации — разведка, и наличие пулемётов будет отвлекать лётчиков от выполнения основной задачи. Поэтому первые воздушные бои велись с помощью карабинов и револьверов. Таран же был самым эффективным способом сбить вражеский самолёт.
Тяжёлый «Альбатрос» летел на высоте, недосягаемой для выстрелов с земли. Нестеров пошёл ему наперерез в лёгком быстроходном «Моране». Австрийцы пытались уйти от столкновения, но Нестеров настиг их и попытался нанести шасси своего аэроплана удар по краю несущей плоскости «Альбатроса». Однако — по-видимому, из-за крайнего переутомления Нестерова — в его расчёт вкралась ошибка, и удар пришелся в середину «Альбатроса»; колёса «Морана» попали под верхнюю плоскость, а винт и мотор ударили по ней сверху. Тонкостенный вал, на котором держался ротативный двигатель «Гном», переломился; мотор оторвался от самолёта Нестерова и упал отдельно. Значительно облегченный «Моран» стал неуправляемо планировать — по-видимому, при столкновении Нестерова бросило вперёд, и он погиб, ударившись виском о ветровое стекло. «Альбатрос» некоторое время продолжал полёт, но затем потерял управление и стал падать; его экипаж погиб от удара о землю. После падения, по словам очевидцев, Пётр Нестеров был ограблен, возможно, казаками.
Из Иллюстрированного журнала Искры Воскресенье, 7 сентября 1914 года № 35
Следует отметить, что Нестеров не имел намерения уничтожить самолёт врага ценой собственной жизни. В «Акте расследования по обстоятельствам геройской кончины начальника 11-го корпусного авиационного отряда штабс-капитана Нестерова» указывалось: «Штабс-капитан Нестеров уже давно выражал мнение, что является возможным сбить неприятельский воздушный аппарат ударами сверху колёсами собственной машины по поддерживающим поверхностям неприятельского аппарата, причем допускал возможность благополучного исхода для таранящего лётчика».
В 1914 году на месте гибели Петра Нестерова у г. Жолква (с 1951 по 1992 — г. Нестеров) был сооружён монумент. Позднее, в 1980 году, здесь построили мемориал памяти героя-авиатора: памятник с мёртвой петлёй, заканчивающейся взлётом вверх реактивного самолёта и небольшой музей. В 1990-е годы музей был заброшен и разграблен.
Старший брат — Николай Нестеров (генерал-майор интендантской службы, умер в 1950, похоронен на Новодевичьем кладбище в Москве).
Старшая сестра — Александра.
Младший брат — Михаил (военный лётчик, погиб при испытании нового аэроплана в 1914).
Жена Петра Нестерова — Н. Р. Нестерова, урождённая Ядвига Луневская, дочь польского крестьянина.
Дети: Пётр (1911—1955) и Маргарита (1909—1995).
Могила П. Н. Нестерова в Киеве
Памятник П. Н. Нестерову в Нижнем Новгороде
Мемориальная доска на доме по ул. Московской в Киеве, где жил Нестеров
Бюст Нестерова в парке «Крылья Советов» в Авиастроительном районе Казани, 2010 год
Почтовая марка СССР из серии «Деятели отечественной авиации», посвящённая Нестерову, 1963, 10 копеек (ЦФА 2914, Скотт 2773)
Односторонняя почтовая карточка с оригинальной маркой (СССР, 1977), посвящённая 90-летию со дня рождения Нестерова
Медаль Нестерова
Памятник перед зданием Киевского авиационного завода (1989)