С 13 июля 1944 года полковник Нестеренко вступил в командование 20-й стрелковой дивизией. Ее части отличились в Люблин-Брестской наступательной операции. Приказом ВГК от 27 июля 1944 года дивизии, отличившейся при освобождении города Барановичи, было присвоено наименование «Барановичская», а за образцовое выполнение заданий командования в боях при форсировании реки Щара и овладении городом Слоним она награждена орденом Суворова 2-й ст. (25.7.1944). Командир дивизии полковник Нестеренко приказом по войскам 1-го Белорусского фронта от 23.07.1944 за эти бои был награжден орденом Красного Знамени. В последующем ее части до середины сентября вели бои на территории Польши. В сентябре дивизия была выведена в резерв Ставки ВГК и в составе той же 28-й армии передислоцирована на 3-й Белорусский фронт в Восточную Пруссию. С 23 октября 1944 года принимала участие в Гумбиненской наступательной операции. В результате тяжелых боев ее части понесли большие потери и в конце октября перешли к обороне. С 16 января 1945 года дивизия под его командованием принимала участие в Восточно-Прусской и Инстербургско-Кёнигсбергской наступательных операциях. 29 января 1945 года полковник Нестеренко был отстранен от командования дивизией «как не справившийся» и зачислен в распоряжение Военного совета 3-го Белорусского фронта. С марта состоял в распоряжении ГУК НКО, затем в апреле зачислен слушателем Высшей военной академии им. К. Е. Ворошилова (ускоренный курс).