Seit 1889 beteiligte er sich an den Aktivitäten der Peredwischniki, bevor er im Jahr 1896 selbst Mitglied dieser Bewegung wurde. In der Anfangszeit wurde er vor allem als Landschaftsmaler bekannt. Im Laufe der Zeit widmete er sich jedoch zunehmend religiösen Motiven in seinen Werken, was zu Konflikten mit den Peredwischniki führte. In der Zeit von 1890 bis 1910 lebte und arbeitete Nesterow vorrangig in Kiew und Sankt Petersburg. In diese Zeit fiel die Gestaltung der Fresken der Kiewer Wladimirkathedrale sowie der Mosaiken der Auferstehungskirche in Sankt Petersburg. Weiterhin befasste er sich mit der Ikonenmalerei.
Nach der Oktoberrevolution schuf Nesterow hauptsächlich Porträts. So porträtierte er eine ganze Reihe von Persönlichkeiten aus Kultur und Wissenschaft. Nesterow verstarb 1942 in Moskau. Sein Grab befindet sich auf dem Novodevitshi-Friedhof.
