Владея глубокими знаниями в области математики и механики, имея достаточный пилотажный опыт, 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 более 45 градусов происходит изменение в работе руля: руль высоты выполняет функции руля направления, а руль направления — руля высоты. После назначения командиром отряда Нестеров ввел обучение полетам с глубокими виражами и посадку с выключенным двигателем.
В августе 1913 года Нестеров, во главе трех машин, возглавил групповой перелет по маршруту Киев — Остер — Козелец — Нежин — Киев с посадками. Во время перелета, впервые в истории авиации, проводилась маршрутная киносъемка. В первой половине 1914 года он осуществил еще два перелета: Киев — Одесса за 3 часа 10 минут и Киев — Гатчина за 9 часов 35 минут. Для того времени это было большим достижением.
Для доказательства идеи, что «в воздухе для самолета всюду опора», 27 августа 1913 года в Киеве над Сырецким полем Нестеров впервые в мире выполнил на самолете «Ньюпор-4» замкнутую петлю в вертикальной плоскости. Этим маневром Нестеров фактически положил начало высшему пилотажу. Согласно рапорту, летчик на высоте 800—1000 метров выключил мотор и начал пикировать. На высоте около 600 метров вновь включил мотор, перевел самолет в набор высоты, описал вертикальную петлю и вывел машину в горизонтальный полет. Затем снова выключил мотор, перешел на выравнивание и благополучно приземлился. Спустя двенадцать дней ту же самую авиационную фигуру повторил француз Адольф Пегу. Это событие получило широкую огласку и в иностранной, и в российской прессе. Когда в мае 1914 года Пегу прибыл в Петербург для демонстрации «мертвой петли», редакции некоторых российских газет вышли с заголовками: «Императорскому аэроклубу уже давно необходимо подтвердить, что первую «мертвую петлю» совершил русский летчик…»
10 февраля 1914 года Киевское общество воздухоплавания отметило Нестерова за научную разработку вопроса о глубоких кренах и за осуществленную им «мертвую петлю», присудив ему золотую медаль Общества. Позже Киевское руководство от лица города вручило отважному пилоту-новатору памятный золотой жетон, с которым Петр Николаевич никогда не расставался.
В августе 1914 года Петр Николаевич был произведен в штабс-капитаны и назначен начальником 11-го авиационного отряда. С началом Первой мировой войны он отбыл на Юго-Западный фронт. Осуществлял воздушную разведку, выполнил одну из первых в России бомбардировок артиллерийскими снарядами.