Летчик не мог останавливаться на достигнутом, его пытливый ум усиленно работал. Петр Николаевич тренировался в совершенствовании пилотирования, в отработке крутых виражей, готовясь осуществить «мертвую петлю». Одолевали сомнения в надежности конструкции самолета, а главное, в том, будет ли его эксперимент нагляден и понят товарищами по оружию. И вот пришла решимость. 27 августа 1913 г. нестеровский «Ньюпор» вновь взмыл в небо. Набрав высоту 800–1000 метров, летчик, как явствует из рапорта начальства, выключил мотор и начал пикировать. На высоте около 600 метров мотор был включен, и самолет, послушный уверенным рукам пилота, устремился вертикально вверх, потом на спину, описал петлю и пошел в пике. Мотор снова выключился, самолет выпрямился и плавной, красивой спиралью благополучно приземлился.
Подвиг П.Н. Нестерова всколыхнул весь мир. Многие посылали восторженные телеграммы. Из Нижнего Новгорода начальник Кадетского корпуса телеграфировал: «Корпус восторженно приветствует своего славного питомца с блестящим успехом на гордость русской авиации». Киевское общество воздухоплавания присудило Нестерову золотую медаль. Но военное начальство было категорически против «мертвой петли». Сам же пилот был уверен, что «фигурные полеты – это школа летчика». Несмотря на запрещения, 31 марта 1914 г. Нестеров повторил «мертвую петлю».
П.Н. Нестеров продолжал летать, участвовал в маневрах, был назначен начальником авиационного отряда. Рекорды продолжались. В военных маневрах в сентябре 1913 г. Нестеров осуществил первую в мире атаку самолета противника. Он практиковал взлеты и посадки в темноте, разрабатывал применение ацетиленового прожектора на монопланах для ведения ночной разведки, вынашивал идею о перестройке хвостового оперения в виде «ласточкина хвоста», мечтал выйти в отставку и целиком посвятить себя конструированию самолетов. Но в июне 1914 г. началась война. Командир 11-го корпусного авиаотряда (3-я авиационная рота, 3-я армия, Юго-Западный фронт) штабс-капитан Нестеров П.Н. выполнял задачи воздушной разведки, разработал тактику и изготовил ряд приспособлений для воздушного боя. Кроме того, война открывала перед ним возможности проверить в реальных боевых условиях все его теоретические и практические наработки в области пилотирования летательных аппаратов. Практика войны подтвердила правильность многих из них. Он и в боевых условиях продолжал совершенствовать тактику ведения ночной разведки. Кроме того, пилот искал новые способы боевого применения авиации, осуществлял бомбометание – причем столь эффективно, что австрийское командование обещало крупную денежную награду тому, кто собьет аэроплан Нестерова.