При этом Пётр Николаевич мечтал выйти в отставку, чтобы целиком посвятить себя любимому делу – конструированию самолётов. Но началась Первая мировая война.
Авиаотряд Нестерова принимает участие в боевых действиях в составе 3-й армии Юго-Западного фронта. Участвует в освобождении Львова.
Молодой штабс-капитан совершает вылеты на воздушную разведку. При этом по-прежнему экспериментирует. В частности, он разрабатывает тактику и изготавливает ряд приспособлений для воздушного боя. В реальных боевых условиях он проверяет все свои теоретические и практические наработки в области пилотирования летательных аппаратов. Однажды он выполняет одну из первых в России бомбардировок приспособленными для этого артиллерийскими снарядами. Её эффективность оказалась такой, что австрийское командование пообещало крупную денежную награду тому, кто собьёт аэроплан Нестерова.
Осознавая необходимость вооружения самолёта, Пётр Николаевич неоднократно обращается к своим начальникам с просьбой о разрешении ему установить пулемёт на своём аэроплане. Однако и прямые, и непосредственные начальники всё время ставили на его рапорте одну и ту же резолюцию: «По штату авиационным отрядам пулемётов не положено». Но надо было знать Нестерова, которого подобные ответы удовлетворить не могли. Не получив пулемёта, он самостоятельно вооружил свой аэроплан. Сзади фюзеляжа установил длинный острый нож, чтобы при его помощи разрезать в воздухе крылья противника. Кроме того, русский лётчик привязал к своему аэроплану на длинном стальном тросике груз. При помощи его он готовился выводить из строя винт самолёта неприятеля и заставлять последнего приземляться на нашей территории. К тому же Нестеров высказал мысль, что можно принудить противника к посадке различными эволюциями в воздухе и угрозой сбить его живой массой своего самолёта.
Считая возможным применение тарана в воздушном бою, П. Н. Нестеров утверждал: «Такой маневр не будет более опасным, чем, например, столкновение конника с конником на земле. Если же при ударе о самолёт противника аппарат и сломается, то это ещё ничего не значит, а жертвенность собой есть долг каждого воина».
Вспоминает В. Г. Соколов:
«Мысль о таране возникла у Нестерова задолго до войны: во время осенних маневров в 1913 году. Когда в районе города Гадяча, где стоял 11-й авиационный отряд, появился “неприятельский” самолёт (“Фарман-VII”, на котором летел поручик Гартман), Пётр Николаевич поднявшись в воздух, “атаковал” его. Пользуясь преимуществом в скорости (“Ньюпор-IV” давал 100 километров в час, а “семёрка” – 80), Нестеров начал раз за разом перерезать путь “противнику”, заставляя его сворачивать с дороги. После четвёртой атаки Гартман погрозил кулаком Нестерову и полетел обратно, не выполнив разведку.