Нестеров не стоит на месте: ищет новые способы пилотирования, знакомится с Яном Нагурским, впоследствии совершившем первый в мире полет над арктическими широтами, работает над проектами усовершенствования летательных аппаратов, интереуется идеей использования аэроплана в качестве оружия путем применения тарана, делает массу новых открытий в теории воздушного боя. Позднее эти наработки будут использовать пилоты всего мира. Его мечта – создание самолета, который бы полностью подчинялся пилоту, не завися от внешних условий. Сослуживец В.С. Соколов вспоминал, что Петр Нестеров говорил: «Военный летчик должен владеть своим аэропланом в совершенстве. Ему во время войны, может быть, придется вести воздушный бой, а для этого он должен уметь выходить из любого положения. В воздухе везде опора! Мы видим, что нас предоставили самим себе. Никаких инструкций, никаких указаний мы не получаем. Как будет применяться авиация в будущей войне, приближение которой ясно чувствуется, точно никто не знает и никого это не беспокоит. Но если об авиации не думают те, кому об этом думать надлежит, то ответственность за подготовку к войне падает на нас. Мы не имеем права сидеть сложа руки. Смелость, верный глаз, твердая рука – и победа твоя!»
Окончив обучение в 1913 году, Нестеров назначается в 11‑й корпусный отряд 3‑й авиационной роты, располагающейся в Киеве. Летом этого года он установил рекорд: без подготовки, в составе малой группы из трех самолетов, пролетел 500 км над территорией Украины. В те времена осуществление подобных сверхдальних полетов считалось невозможным событием, ставшим достоянием газет всего мира. Но его целью была мертвая петля.
Виктор Соколов писал: «…мы узнали от гатчинцев, что еще в авиашколе Нестеров говорил об этом и даже утверждал, что на аэроплане можно сделать мертвую петлю. В школе его подняли на смех. Нужно сказать, что первое время мы также не верили тому, что говорил Нестеров о мертвой петле, и многие открыто насмехались над ним. Но когда нам стало известно, что профессор Николай Егорович Жуковский, ученый с мировым именем, отец русской авиации, как впоследствии назвал его Ленин, также считает выполнение мертвой петли вполне возможным делом, голоса оппонентов Нестерова смолкли». В том же году в конце лета Петр Нестеров поднимается в небо на «Ньюпор‑4», разгоняется, задирает нос самолета… и впервые в мире совершает одну из самых сложных фигур высшего пилотажа – мертвую петлю, которую впоследствии будут называть «петлей Нестерова». Сам летчик в «Санкт-Петербургской газете» от 4 и 5 сентября 1913 года делился впечатлениями: «За все время этого 10‑секундного полета я чувствовал себя так же, как и при горизонтальном повороте с креном градусов в 70–80, т. е. ощущал телом поворот аэроплана, как, например, лежа в поезде, чувствуешь телом поворот вагона. Я очень малокровный: стоит мне немного поработать, согнувшись в кабинке «Ньюпора», и в результате от прилива крови сильное головокружение. Здесь же я сидел несколько мгновений вниз головой и прилива крови к голове не чувствовал, стремления отделиться от сиденья тоже не было, и ноги давили на педали. Мой анероид не выпал из кармана куртки, и инструменты в открытых ящиках остались на своих местах. Бензин и масло также удерживались центробежной силой на дне бака, т. е. вверху, и нормально подавались в мотор, который великолепно работал всю верхнюю половину петли. В общем, все это доказывает, что аэроплан сделал обыкновенный поворот, только в вертикальной плоскости, так как все время существовало динамическое равновесие. С этим только поворотом воздух является побежденным человеком. По какой-то ошибке человек позабыл, что в воздухе везде опора, и давно ему пора отделаться определять направление по отношению к земле».
Кроме того, он вспоминал: «Я еще не успел вполне закончить теоретической разработки этого вопроса, когда узнал, что “мертвую петлю” готовится совершить и французский авиатор Пегу. Тогда я бросил теоретические расчеты и решил рискнуть. Совершить “мертвую петлю” было для меня вопросом самолюбия, – ведь более полугода я исследовал этот вопрос на бумаге». Он не зря спешил – Адольф Пегу повторил мертвую петлю через шесть дней, но русский авиатор был первым.