В 1936 году поступил в Военную академию им. М. В. Фрунзе, окончил её в 1939 году в звании майора и был назначен командиром 170-го артиллерийского полка 37-й стрелковой дивизии (Речица, БелВО). В июле 1939 года вместе с 37-й стрелковой дивизией передислоцирован в Омск, где его дивизия готовилась к действиям против Японии в Монголии, но в связи с окончанием боевых действий (к сентябрю 1939 года) А. И. Нестеренко со своей дивизией в боях не участвовал.