Однак, служачи на Далекому Сході, зацікавився повітроплаванням, зокрема коригуванням гарматної стрільби з аеростата. Далі цікавість переросла в палке захоплення авіацією, що робила тоді перші кроки. Нестеров закінчив курс спеціальної офіцерської Повітроплавальної школи в Гатчині. Навесні 1913 року отримав призначення до однієї з найперших авіаційних рот російської армії, сформованої у Києві, де обійняв посаду командира загону. Табори авіароти та її аеродром розміщувались біля Брест-Литовського шосе (проспекту Перемоги), неподалік від селища Святошин.

Спершу перед військовою авіацією стояли практично ті ж самі завдання, що й перед повітроплавальними засобами, – розвідка та коригування Поштова марка із зображенням П. Нестерова (1963) артилерійського вогню. Нестеров займався цим, зокрема, на артилерійському стрільбищі під Києвом. Тоді ще не існувало засобів зв’язку, що згодом увійшли до широкого вжитку, тож доволі складно було швидко інформувати наземні війська про результати повітряного спостереження. Авіазагін Нестерова випробував кілька засобів, які мав тоді у своєму розпорядженні. Приміром, можна було скинути інформаційну записку з літака, але для цього доводилося спускатися на висоту 100–200 метрів – інакше послання відносило так, що його важко було знайти. Інший варіант передбачав умовний сигнал – швидкі зупинки й поновлення роботи мотора (одна чи кілька перерв у стрекотінні двигуна кодували напрямок корекції вогню). 

Пробували також повідомляти гармашів за допомогою прапорців чи гойдання крилами. Але навіть така примітивна методика суттєво підвищувала влучність стрільби й була високо оцінена артилеристами. 

Тим часом Нестеров одним із перших усвідомив значно більші можливості авіації. Однак для їх використання необхідно було вдосконалювати повітряну техніку, дедалі краще та впевненіше її опановувати. Й авіазагін Нестерова досяг у цьому чималих успіхів. Так, під час маневрів у серпні 1913 року Петро разом з іншими пілотами загону провів перший в історії груповий переліт на значну відстань на трьох літаках. Повітряні машини під командуванням Нестерова пролетіли загалом понад 300 кілометрів за маршрутом Київ – Остер – Ніжин – Київ. У повітрі вони трималися строєм, орієнтувалися за картою на незнайомій місцевості, знаходили різні принагідні майданчики для посадки та злету. 

Особливо важливим, на думку Петра Нестерова, було випробування маневровості літака в повітрі. Опанування нею не лише допомагало льотчикові виходити зі скрутних ситуацій, пов’язаних із примхами погоди чи збоями мотора. Нестеров бачив можливість повітряних боїв, у яких саме досконала маневровість давала визначальну перевагу над супротивником. Вивчення маневрової здатності літака привело льотчика до здійснення «мертвої петлі» – повного оберту літака у вертикальній площині. 

Сама назва – «мертва петля» – вказувала на сумну долю тих, хто раніше намагався виконати цю фігуру в повітрі. Проте Нестеров аж ніяк не був відчайдухом, готовим безоглядно ризикнути головою заради ефектної акції. На шляху до свого подвигу він озброївся розумінням законів аеродинаміки, які того часу досліджував видатний російський вчений Микола Жуковський. Ще навчаючись в авіаційній школі, Нестеров не приховував наміру колись виконати «петлю». Тоді цю його мрію скептично налаштовані однокашники навіть «обстріляли» в рукописному шкільному «Альманасі» епіграмою:

 

Ненавидящий банальность, Полупризнанный герой, Бьет он на оригинальность Своею «мертвою петлей».

 

На такий закид Петро переконливо дав відкоша – теж віршованого:

 

Не мир я жажду удивить, Не для отваги иль задора, А вас мне нужно убедить, Что в воздухе везде опора. Одного хочу лишь я, Свою петлю осуществляя, – Чтобы «мертвая петля» Была бы в воздухе «живая».

 

Ще переконливішими виявилися практичні дії Нестерова. Щоправда, консервативне ставлення армійського начальства до ризикованих новацій не давало йому змоги широко оголосити про свої наміри. Про них знало обмежене коло близьких друзів. Петро заздалегідь усе продумав, розрахував оптимальний радіус «петлі» – 25–30 метрів. Тренуючись у польоті, Нестеров описував кола в горизонтальній площині. Аж ось він отримав новий літак – «ньюпор» – і вирішив: час здійснювати мрію! 

27 серпня (9 вересня за н. ст.) 1913 року пілот підняв свій літак над аеродромом, набрав висоту 1 000 метрів. У ті часи оберти двигуна регулювали в примітивний спосіб – відкриваючи чи закриваючи кран подачі пального. Нестеров вимкнув двигун і почав ширяти, поступово знижуючись. На висоті 600 метрів він знову відкрив кран. Згодом льотчик згадував: «Мотор дуже добре запрацював, апарат поліз у небо й почав лягати на спину. Моя ліва рука перебувала весь час на бензиновому крані, аби точніше регулювати роботу мотора… Одну мить мені здалося було, що я надто довго не бачу землі, але… трохи більше потяг за ручку – і побачив землю. Знову закрив бензин і, вирівнявши апарат, почав спускатися плавом до ангарів». 

Свідками історичної події стали товариші-льотчики та технічний персонал авіароти. Усі вони переконалися, що Нестеров упевнено виконав «мертву петлю» і його самопочуття при цьому залишалося цілком нормальним. Отже, було перейдено важливий рубіж: людина на літаку почала опановувати елементи вищого пілотажу! 

Це відкрило нову еру в історії авіації, надихнуло льотчиків та конструкторів усього світу на подальші сміливі експерименти. 

Дехто з начальників був шокований сенсацією, але здебільшого надходили схвальні, захоплені відгуки. Відтоді в «мертвої петлі» з’явилася нова назва – «петля Нестерова». Льотчика нагородили золотою медаллю Київського товариства повітроплавання. Йому пропонували використати своє досягнення з комерційною метою, проводячи авіашоу по різних містах. Однак Петро мав зовсім іншу мету, тож відмовився гендлювати подвигом. Натомість комерційні польоти влаштовував французький пілот Адольф Пегу, який виконав «мертву петлю» через 13 днів після Нестерова. Француза супроводжувала гучна реклама, його називали «королем повітря», він заробляв шалені гроші. 

А Нестеров тим часом продовжував свою справу, прокладаючи нові шляхи в розвитку авіації. Зокрема, наприкінці 1913-го та в 1914 році він здійснив кілька тривалих перельотів, спрямувавши літак із Києва до Одеси, Севастополя, Гатчини. Експериментував із польотами в темний час, із нічною розвідкою. Розробляв інструкції та настанови для пілотів. Навіть працював над оригінальною моделлю літака без вертикального хвостового оперення. Його заслуги було відзначено орденами Св. Станіслава та Св. Анни III ступеня, а також чином штабс-капітана. 

Родина Нестерових – Петро, його мати, дружина та двоє дітей – мешкала на Печерську, неподалік від зимових приміщень авіаційної роти. Нині на фасаді особняка по вул. Московській, 5 можна побачити бронзовий меморіальний барельєф із зображенням льотчика. Напис на ньому повідомляє: «У цьому будинку 1914 року жив відомий російський льотчик П. М. Нестеров».Відверто кажучи, ми маємо великий сумнів, що саме в цьому особняку колись мешкав славетний авіатор. Річ у тім, що до тієї ж садиби на Московській, 5 належала ще одна, значно більша будівля, яка завертала за ріг вулиці Левандовської (нині Анищенка). Вона мала п’ять поверхів із численними квартирами, що здавалися в оренду. Оскільки відомо, що Нестеров мешкав за адресою: вул. Московська, 5/2, кв. 23, – цілком очевидно, що його помешкання було саме в наріжному будинку. Адже особняк за первинним проектом узагалі призначався для однієї заможної родини, потім його перепланували, але й після того в ньому було щонайбільше 4-5 квартир. 

На жаль, будинок з орендованими квартирами на вул. Московській, 5/2 дуже постраждав під час нацистської окупації. Значну частину його довелося розібрати, натомість по війні спорудили новий житловий будинок, увінчаний «сталінською» башточкою. Проте найвіддаленіша на вул. Анищенка секція історичної будівлі усе ж збереглася – під №2; нині вона стоїть впритул до «сталінки» з лівого боку. Цілком можливо, що саме в цій частині будинку жив Петро Нестеров – у всякому разі, це набагато ймовірніше, ніж його проживання в особняку, прикрашеному меморіальною дошкою. Те ж саме, до речі, можна сказати й про ватажка збройного виступу проти самодержавства 1905 року – підпоручика Бориса Жаданівського, на згадку про якого на фасаді особняка також встановлено пам’ятний знак. 

Улітку 1914 року проживанню Нестерова в Києві поклала край Перша світова війна. Його загін за наказом командування було направлено на Південно-Західний фронт. Там льотчик отримав змогу перевірити бойовою практикою всі свої розрахунки й напрацювання. Та воювати в повітрі довелося, на жаль, недовго. 26 серпня (8 вересня за н. ст.) 1914 року, майже в першу річницю «мертвої петлі», начальник 11-го авіазагону штабс-капітан Нестеров героїчно загинув у двобої з австрійським пілотом-розвідником. Його смерть стала наслідком чергового сміливого експерименту. 

Випробувач намагався довести можливість таранити літак супротивника з таким розрахунком, щоб ударити ворожу машину згори колесами власного шасі, зруйнувати її, а самому зберегти можливість польоту та посадки. Нестеров зміг вразити австрійський літак першим у світі повітряним тараном – але свій мотор він теж пошкодив, до того ж силою удару льотчика викинуло з сидіння, і він розбився об землю… 

Тіло героя перевезли до Києва й поховали на кладовищі біля Аскольдової могили. У 1930-ті роки цей некрополь знищили заради влаштування парку. Утім, прах Нестерова було збережено: нині він покоїться на Лук’янівському цивільному кладовищі, ліворуч від головної алеї. Напрямок до могили славетного пілота позначено спеціальними покажчиками. 

Поряд із нею стоїть надгробок ще одного героя-льотчика – Євграфа Крутеня, повітряного аса часів Першої світової. Він був товаришем по службі та учнем Нестерова. 

Ім’я та діяльність Петра Нестерова є видатним надбанням льотної справи, символом її сміливого поступу. 1962 року на кіностудії ім. О. Довженка було знято фільм про перших вітчизняних авіаторів «У мертвій петлі», де Нестерова зіграв актор Віктор Коршунов. А 1989 року на сучасному проспекті Перемоги, неподалік від того місця, над яким уперше було зроблено «мертву петлю», встановлено монумент роботи скульптора Євгена Карпова. Бронзового Нестерова зображено на повен зріст на тлі символічної траєкторії його історичного польоту. Позаду височіє корпус заводу «Авіант», де виготовляють сучасні потужні повітряні машини, пілотовані наступниками безсмертного льотчика.