С 7 мая 1943 года переведен заместителем начальника штаба по ВПУ 6-й армии Юго-Западного фронта. В июне назначен заместителем командира 152-й стрелковой дивизии, которая занимала оборону по реке Северский Донец. С 8 августа она вошла в подчинение 1-й гвардейской армии и участвовала в Донбасской наступательной операции и битве за Днепр. С 20 октября дивизия была передана 46-й армии 3-го Украинского фронта и успешно действовала в Днепропетровской наступательной операции. За отличия в боях при освобождении Днепропетровска приказом ВГК от 25 октября 1943 года ей было присвоено почетное наименование «Днепропетровская», а за успешное форсирование реки Днепр, прочное закрепление и расширение плацдарма на западном ее берегу она награждена орденом Красного Знамени (01.11.1943). В начале декабря дивизия была выведена в резерв фронта и после пополнения передана 8-й гвардейской армии. С февраля 1944 года в ее составе принимала участие в Никопольско-Криворожской, Березнеговато-Снигирёвской и Одесской наступательных операциях. Приказом по войскам 3-го Украинского фронта от 2 мая 1944 года полковник Нестеренко был награжден орденом Красного Знамени. В начале апреля дивизия была передана 28-й армии и вместе с ней выведена в резерв Ставки ВГК. В конце мая она в составе армии была направлена на 1-й Белорусский фронт. С 23 июня 1944 года ее части участвовали в Белорусской, Минской наступательных операциях.