Родился 27 февраля 1887 г. (15 февраля 1887 по старому стилю) в Нижнем Новгороде в дворянской семье.
В 1906 г. окончил в Санкт-Петербурге Михайловское артиллерийское училище (ныне Михайловская военная артиллерийская академия). В 1912 г. стал выпускником Офицерской воздухоплавательной школы (располагалась также в Санкт-Петербурге).
С 1904 г. Петр Нестеров находился на военной службе.
В 1906-1910 г. состоял в 9-й Восточно-Сибирской артиллерийской бригаде (Владивосток). В течение непродолжительного времени был прикомандирован как артиллерийский наблюдатель к Владивостокской корпусной воздухоплавательной роте. Разработал правила корректировки артиллерийской стрельбы с аэростата.
В 1910-1911 г. служил в Кавказской резервной артиллерийской бригаде.
После выпуска из Офицерской воздухоплавательной школы был прикомандирован к авиационному отделу этого военного учебного заведения.
В 1913 г. был произведен в военные летчики и направлен в Киев (ныне столица Украины), где руководил авиационным отрядом в составе 7-й воздухоплавательной роты. Готовил военных летчиков. Также занимался испытаниями ряда летательных аппаратов разработки отечественных конструкторов, проблемами повышения устойчивости самолетов, безопасности полетов. Нестеров первым среди русских авиаторов начал поворачивать в полете с креном, положив основу маневренному пилотированию: ранее это считалось небезопасным. Кроме того, проводил опыты по улучшению корректирования артиллерийского огня с самолетов, прорабатывал вопросы организации взаимодействия военной авиации с сухопутными войсками, осваивал ночные полеты.
9 сентября (27 августа по старому стилю) 1913 г. Петр Нестеров в районе Сырецкого аэродрома (Киев) первым в мире выполнил на самолете Nieuport IV.G ("Ньюпор-4-Г"), машина французской разработки, собранная на заводе "Дукс" в Москве) фигуру "мертвая петля" - замкнутую кривую в вертикальной плоскости. На том этапе развития авиации успешное выполнение маневра было важно для безопасности полетов: аэропланы из-за невысокой мощности моторов могли находиться в воздухе только при благоприятных метеоусловиях, и резкий порыв ветра мог опрокинуть самолет. Исполнение "мертвой петли" с возвращением в исходное положение позволяло летчику благополучно вывести аэроплан из такой ситуации.
В феврале 1914 г. Петр Нестеров стал начальником 11-го корпусного авиационного отряда. В мае того же года в рамках тренировки в полетах на дальность совершил перелет по маршруту Киев - Санкт-Петербург (Гатчина). Полеты на расстояние свыше 1 тыс. км в то время считались дальними и представляли собой серьезное испытание как для авиационной техники, так и для летчика.
С началом Первой мировой войны авиаотряд Нестерова вошел в состав 3-й армии Юго-Западного фронта.
8 сентября (26 августа по старому стилю) 1914 г. близ Жолквы (Австро-Венгрия, ныне во Львовской обл. Украины) 27-летний Петр Нестеров погиб в воздушном бою, применив первый в мире воздушный таран и сбив двухместный австрийский самолет-разведчик. Был похоронен в Киеве в урочище Аскольдова могила, позднее останки летчика перезахоронили на Лукьяновском кладбище украинской столицы.
Штабс-капитан (1913).
Был награжден орденами Святого Георгия IV степени (посмертно, 1915), Святого Владимира IV степени (1914), Святой Анны III степени (1913), Святого Станислава III степени (1912).