С марта 1939 г. в правительственной командировке в Монголии в должности помощника, затем командира 100-й скоростной бомбардировочной авиационной бригады 1-й армейской группы в Монголии. Лично выполнил 12 боевых вылетов на бомбардировку переднего края японских войск в Боях на Халхин-Голе и огневых позиций артиллерийских батарей противника. За успешное выполнение боевых задач бригада была награждена орденом Ленина, а Нестерцев — орденами Красного Знамени и Боевого Красного Знамени Монгольской Народной Республики. По окончании боев в Монголии в августе 1940 г. назначен заместителем командира 35-й авиационной дивизии, с марта 1941 года назначен командиром 77-й авиационной дивизии и приступил к её формированию в Туле.