Во Владивостоке в районе Гнилого Угла с 1904 года стояла крепостная воздухоплавательная рота. Здесь для наблюдения за подступами к городу (в том же году началась война с Японией, однажды Владивосток даже обстреляла с моря японская эскадра) поднимали привязные аэростаты. Нестеров решил, что аэростат можно использовать и для корректировки пушечной стрельбы. Прикомандированный к воздухоплавательной роте, он не раз поднимался в небо и разработал правила корректирования огня с привязных аэростатов.
Весной 1910 года предрасположенного к чахотке поручика прикомандировали к Кавказской резервной артиллерийской бригаде, стоявшей во Владикавказе. Здесь Нестеров разработал свой первый проект самолёта. Воздухоплавательный отдел Главного инженерного управления этот проект отклонил, не найдя «каких-либо преимуществ сравнительно с существующими аэропланами». В том же году в Тифлисе Нестеров наблюдал за полётом Сергея Уточкина и познакомился с ним.
Кавказская командировка завершилась, Нестеров едет в отпуск в родной Нижний – и во Владивосток больше не возвращается. Встречается со студентом Петром Соколовым, тот знакомит его с лекциями Жуковского. Два Петра строят планёр-биплан, на котором летом 1911 года Нестеров поднимается в небо. А потом добивается зачисления в Офицерскую воздухоплавательную школу в Гатчине.
Тогда не все верили в будущее аэропланов – аппаратов тяжелее воздуха. Была сильна партия аэростатчиков.
Интересно, что и десятилетия спустя параллельно с самолётами будут строить аэростаты. Туполев составит программу развития дирижаблестроения на 1928–1933 годы, для изучения опыта его отправят в США. В 1928 году на дирижабле – аэростате с мотором – под названием «Италия» к Северному полюсу полетел Умберто Нобиле, произведённый волей Муссолини в генералы и почётные члены фашистской партии. На поиски потерпевшего катастрофу Нобиле отправится Амундсен – и сам погибнет. Выживших полярников будут спасать советский лётчик Борис Чухновский и ледокол «Красин», самого Нобиле снимет с льдины шведский пилот Лундборг. В 1932 году в Долгопрудном откроется завод «Дирижаблестрой», на который пригласят работать того же Нобиле. Годом позже стратостат «СССР-1» установил мировой рекорд высоты – 19 километров. В 1934 году два дирижабля отправили было на Дальний Восток для спасения челюскинцев, но лётчики сняли полярников с льдины раньше. В книге Петра Ионова «Дирижабли и их военное применение» (Госвоениздат, 1933) говорилось о таких задачах этих аппаратов, как бомбардировка, разведка, борьба с подлодками и минными полями, постановка мин. Была даже глава «Воздушный бой дирижаблей». Однако в 1937–1938 годах советское дирижаблестроение свернули, сделав ставку на самолёты. На Второй мировой советские аэростаты смирились со скромной, но достойной ролью средств воздушного заграждения – элемента противовоздушной обороны.
Начальник воздухоплавательной школы генерал Александр Кованько, когда-то учивший Менделеева летать на воздушном шаре, принадлежал как раз к партии аэростатчиков. Он зачислил Нестерова не в авиационный, а в воздухоплавательный отдел, но упрямый поручик добился права одновременно учиться на лётчика.
Теория была развита слабо. Никто толком не понимал, почему самолёт летает, а не падает и что он может вытворять в воздухе. Инструкторы учили летать «тарелочкой», избегая кренов. Нестеров (как и первый русский авиатор Михаил Ефимов) выступал за крены и энергичные виражи, приводя в пример велосипедный спорт. Размышляя о возможных эволюциях, вывел формулу: «В воздухе – везде опора», теоретически обосновал возможность «мёртвой петли». В конце 1912 года сдал экзамен и стал военным лётчиком.
Хотел поехать в Болгарию воевать против Турции, но его направили в Киев. Нестеров учился целеуказанию, воздушной разведке, корректировке огня, взаимодействию с наземными войсками. Совершил дальние – по тем временам – перелёты, освоил ночное пилотирование. 27 августа 1913 года впервые в мире выполнил «мёртвую петлю» и подвергся критике начальства: мол, никакой практической ценности в этом лихачестве нет. Нестерову даже запретили делать «петли» впредь.
Он был не только смелым пилотом, но и незаурядным инженером. Предлагал отказаться от руля «корабельного» типа, сделав самолётное оперение схожим с птичьим хвостом. Писал: «Пароходу или лодке нельзя изогнуть корпус, потому его ломают под углом, т. е. ставят руль, но если у парохода сделать киль, который мог бы изгибаться, пароход был бы в несколько раз поворотливее». Предложил аэродинамические тормоза, реализованные много позже, ряд других идей… Хотел выйти в отставку и заняться конструкторской работой. Бог весть, что бы ещё удалось сотворить Нестерову, но уже наступал военный 1914 год – последний в его короткой жизни.