В качестве командира 4 ГМП Нестеренко под Винником (4.10. 1941) впервые применил батарейный залп прямой наводкой, в результате чего была разгромлена колонна противника на марше.
По предложению Нестеренко приказом командующего Южным фронтом для прикрытия разрыва между Южным и Юго-Западным фронтами, куда прорывались танковые и механизированные колонны врага, в Дачном была сформирована подвижная группа фронта. В подвижную группу под командованием А. И. Нестеренко входили: 8, 49 ГМП, 14 ОГМДМ, два зенитных дивизиона — 113-й и 240-й, два стрелковых и артиллерийский полки 176-й стрелковой дивизии, противотанковые батареи. Подвижная группа прошла боевой путь в Сальских степях и у Манычского канала. Прикрываясь стрелковыми подразделениями и огнем зенитных и противотанковых батарей, непрерывно маневрируя на стокилометровом фронте, группа наносила массированные удары залповым огнем «катюш». Немецкие танки не выдерживали ударов «катюш», несли потери, отходили и искали обходные пути, замедляя наступление. Подвижная группа в течение недели сдерживала бронетанковые и механизированные колонны врага, нанося им огромный урон, не давая прорваться через разрыв между Южным и Юго-Западным фронтами на рубеже Буденновская — Бекетный, а затем — в разрыв между 12-й и 37-й армиями. Это был единственный случай в истории боевых действий, когда основную тяжесть борьбы с танками и мотопехотой противника несли гвардейские минометные части, а стрелковые части были подчинены начальнику оперативной группы ГМЧ фронта, обеспечивая прикрытие гвардейским минометам. За эту операцию Буденный и Малиновский представили Нестеренко к званию Героя Советского Союза, но, видимо, общая картина отступления показалась Сталину неподходящим фоном для награждения.
Летом 1942 г. в составе Черноморской группы Северо-Кавказского фронта в ходе ведения боевых действий ГМЧ в горах под руководством Нестеренко в войсковых условиях были применены переносные и вьючные «катюши». Было изготовлено 58 горных установок М-8-8 и сформировано 12 батарей. Эти «катюши» применялись в боях на Гойтхском перевале, на горах Семашхо, Два Брата, Индюк, на Малой земле под Новороссийском, у реки Пшиш, в начавшемся наступлении Северо-Кавказского фронта на Краснодар (август 1942—март 1943). Эти же установки впервые использовались на катерах и кораблях Черноморского флота при нанесении огневого удара по Анапе и в десантной операции под Новороссийском. Был также разработан железнодорожный вариант на дрезинах. 7.12.1942 г. Нестеренко присвоено звание генерал-майора артиллерии. Ему тогда было 34 года.
В 1943 г. Нестеренко вместе со своим штабом и частями обеспечения был направлен на Брянский фронт, которым командовал генерал-полковник М. А. Рейтер, позже — М. М. Попов.
В оперативную группу ГМЧ Брянского фронта под командованием Нестеренко входили: 2-я и 3-я гвардейские минометные дивизии (по три бригады в каждой) и 8-я отдельная бригада М-30, шесть отдельных полков М-13 (85, 93, 310, 311, 312, 313 ГМП) и дивизион М-8. В каждой бригаде четырехдивизионного состава имелось 288 пусковых станков, в дивизии 864, которые одновременно могли выпустить 3456 снарядов М-30 общим весом 320 т. Вот какая огромная мощь (практически артиллерийский корпус прорыва) была в руках Нестеренко для контрнаступления против сильно укрепленной обороны немцев в Курской битве. Полтора года немцы создавали Кривцовский узел обороны. 18 минут потребовалось нашим войскам, чтобы за огневым валом PC захватить его. Плотность разрывов достигала 30–50 на гектар. Оставшиеся в живых оглушенные и обезумевшие немцы бежали в нашу сторону с поднятыми руками и криками: «Гитлер капут!» По показаниям пленных, не уцелело ни одного блиндажа, ни одной огневой точки. 80-100 % живой силы и вооружения было уничтожено.
5 августа Москва салютовала освободителям Орла и Белгорода в честь пяти фронтов, среди которых был и Брянский. 17 сентября Москва салютовала освободителям Брянска и Бежицы. 310 и 74 ГМП получили наименование Бежицких. На Брянском фронте 28.8.1943 г. Нестеренко получил звание генерал-лейтенанта артиллерии и был награжден за боевые отличия двумя орденами Отечественной войны 1-й степени (18.5.1943 и 27.8.1943). Распоряжением Ставки Брянский фронт расформировывался, его армии переподчинялись Центральному фронту, а штаб, органы управления, части и соединения фронтового подчинения во главе с командующим фронтом Поповым перебрасывались в район Великих Лук и Невеля Псковской области, где из войск Северо-Западного, частично Калининского и Брянского фронтов создавался 2-й Прибалтийский фронт.
С 1 апреля 1945 г. войска 2-го Прибалтийского и часть войск 1-го Прибалтийского и Ленинградского фронтов, блокирующие курляндскую группировку немцев из 36 дивизий группы армий «Север», были объединены в Ленинградский фронт под командованием Маршала Советского Союза Л. А. Говорова. Нестеренко стал заместителем командующего артиллерией этого фронта. В состав оперативной группы ГМЧ Ленинградского фронта входили одна дивизия и четыре отдельные бригады М-31, а также 17 полков М-13. За боевые отличия на этом фронте Нестеренко награжден орденом Кутузова 2-й степени (29.6.1945). День Победы застал его за подготовкой к наступлению против курляндской группировки немцев. Курляндская группировка немцев в составе более 300 тыс. человек капитулировала.
Как показывает описание боевого пути, Алексей Иванович Нестеренко являлся видным полководцем Великой Отечественной войны. В заключительных операциях войны под его командованием находилось 7 тяжелых бригад гвардейских минометов из 40 имевшихся в Советской Армии (17,5 %). 17 полков «катюш» из 115 в Советской Армии (14,8 %), т. е. 1/6—1/7 главной ударной мощи Советской Армии — реактивной артиллерии.
В боях А. И. Нестеренко проявлял ум, сметку, смелость, находчивость, изобретательность, инициативу, высокий профессионализм, умело использовал маневренность и ударную мощь нового оружия. Его 4 ГМП первым из гвардейских минометных полков награжден орденом Красного Знамени (13.3.42). Находясь на важнейших и опасных участках фронта, он не раз сталкивался в ближнем бою с танками и мотопехотой, попадал под пулеметный огонь и удары авиации. В боях был контужен (26.6.1941) у станции Говье в Западной Белоруссии, легко ранен в бою под городом Лисичанск Ворошиловградской области (28.11.1941) и при воздушном налете в кисть правой руки и в скулу, когда руководил понтонной переправой в Ростове-на-Дону (24.7.1942).
Благодаря отличному знанию техники и глубокому осмыслению опыта применения ее в боях много сделал для совершенствования техники и организации боя. Разработал и широко применял методы стрельбы прямой наводкой, всегда грамотно организовывал разведку противника, боевое охранение и прикрытие, боепитание частей и подразделений, гибко использовал подчиненные ему войска для нанесения максимального урона врагу в обороне и в наступлении.
После войны А. И. Нестеренко был заместителем командующего артиллерией Ленинградского военного округа, в мае 1946 г. назначен начальником создаваемого НИИ-4 МО Академии артиллерийских наук. Для создания института Нестеренко получил в Болшево под Москвой городок инженерных войск и приступил к организации института. В этом же городке он предоставил возможность генералу В. И. Вознюку начать формировать Государственный центральный полигон Капустин Яр. Здесь были организованы и укомплектованы основные службы ГЦП, после чего Вознюк с этими подразделениями переехал в Капустин Яр, где продолжил работу по созданию полигона.
Алексей Иванович вникал во все научные, технические, хозяйственные и бытовые вопросы института. После доклада президенту Академии артиллерийских наук генерал-лейтенанту Благонравову о сформировании научных и вспомогательных подразделений Нестеренко получил от него указания: создать в НИИ-4 ученый совет, разработать и строго выполнять план научно-исследовательских работ, организовать тесное взаимодействие института со всеми НИИ, КБ и полигоном Капустин Яр. Нестеренко посещает ОКБ-1, знакомится с С. П. Королевым и со всеми КБ, занимающимися ракетами и оборудованием для их испытаний. Уже на стадии разработки он подключает свои научные подразделения к работам по их профилю. Тесное взаимодействие с разработчиками обеспечивало ускорение выполнения научно-исследовательских работ и их практическую ценность. Исследуя вновь создаваемые боевые ракетные комплексы, институт завоевывает авторитет и начинает диктовать промышленности тактико-технические требования к ракетным комплексам и всем их системам.
Нестеренко узнал, что в НИИ-1 МАП существует группа М. К. Тихонравова, которая работает над созданием ракет дальнего действия и использованием их для полета человека в космос. По рекомендации министра авиационной промышленности Шахурина он связался с Тихонравовым, пригласил его в НИИ-4 для беседы и после рассказа Тихонравова о работах группы предложил всей группе перейти в НИИ-4, при условии, что она будет работать по профилю института, так как Президиум Академии артиллерийских наук не утвердит для НИИ-4 космическую тему. Одновременно договорились, что Нестеренко не будет препятствовать работе группы сверх плана над своей темой. Это устроило Михаила Клавдиевича, и в декабре 1946 г. его группа из 22 человек перешла в НИИ-4 МО. В течение 1947-го и в начале 1948 г. группа Тихонравова без ЭВМ проделала колоссальную расчетную работу и доказала, что с помощью пакетной ракеты, состоящей из одноступенчатых ракет с дальностью около тысячи километров, можно вывести на орбиту искусственный спутник Земли. Тихонравов сделал доклад на научном совете НИИ-4. С большим трудом удалось добиться включения доклада Тихонравова в план научной сессии Академии артиллерийских наук.
