В боях Нестеренко проявлял ум, сметку, смелость, находчивость, изобретательность, инициативу, высокий профессионализм, умело использовал маневренность и ударную мощь нового оружия. 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. Был контужен 26 июня 1941 года у станции Говье в Западной Белоруссии, легко ранен 28 ноября 1941 года в бою под городом Лисичанском Ворошиловградской области и 24 июля 1942 года при воздушном налете, когда руководил понтонной переправой в Ростове-на-Дону.

В течение всей войны гвардейские минометные части реактивной артиллерии не имели уставов, наставлений и правил стрельбы. В силу полного отсутствия элементарной руководящей литературы для офицеров ГМЧ, а также правил стрельбы по инициативе гвардии генерал-лейтенанта Нестеренко и под его редакцией в начале 1944 года топографическим отделом штаба 2-го Прибалтийского фронта издана брошюра «Гвардейские минометные части в наступлении и преследовании (Тактические примеры из боевого опыта частей)».

В 1945 году на Ленинградском фронте под руководством и при личном участии генерал-лейтенанта Нестеренко было разработано и издано руководство-справочник «Расчет плотности огня гвардейских минометных частей и некоторые вопросы пристрелки». В предисловии к справочнику командующий артиллерией Ленинградского фронта генерал-полковник артиллерии Г. Ф. Одинцов писал:

Это были первые печатные пособия, которые дошли до действующих частей на фронте, что позволило установить единую систему подготовки офицеров и выработать единый взгляд на методы применения гвардейских минометных частей.

В 1945 году в журнале «Военная мысль» (№ 9) была опубликована большая статья генерал-лейтенанта А. И. Нестеренко «О роли и месте реактивной артиллерии». В статье обобщен опыт применения реактивной артиллерии в годы войны. В своей статье Алексей Иванович писал:

«Это оружие основано на использовании новейших достижений науки и техники… Массовое применение реактивной артиллерии, разнообразие и эффективность выполняемых ею огневых задач сделали это оружие мощным средством массового истребления живой силы и техники противника, средством значительного качественного и количественного усиления артиллерии.

Специфичность огня гвардейских минометных частей состоит в его мощи и массированности, в возможности значительно увеличивать ударную силу артиллерии на решающих направлениях и тем самым способствовать успешному выполнению самой трудной задачи артиллерийского наступления — одновременного разрушения и подавления всей тактической глубины неприятельской обороны. Все зависит от правильного сочетания этого огня с огнем ствольной артиллерии и от умелого использования самих гвардейских минометных частей.

Роль и место реактивной артиллерии в любой наступательной операции определяются ее тактическим применением в данной конкретной обстановке, ее огневой производительностью в различные периоды артиллерийского наступления. При планировании операции должна обязательно учитываться огневая производительность привлекаемой группировки гвардейских минометных частей.

Гвардейские минометные части — оружие мощного и внезапного огня, мощного удара, поэтому оно должно применяться только массированно и внезапно. Оружие, рожденное для стремительных маневров и ударов, нельзя надолго приковывать к огневым позициям».

В 1945–1946 годах в Ленинграде и на полигоне Струги-Красные по заданию штаба артиллерии Вооруженных сил Алексей Иванович организовывал и был консультантом на съемках учебного кинофильма «Реактивная артиллерия».

В годы войны Алексей Иванович Нестеренко воевал плечом к плечу вместе с видными маршалами и генералами. Это — В. В. Аборенков, А. И. Антонов, П. А. Артемьев, И. X. Баграмян, Ю. П. Бажанов, М. М. Барсуков, П. А. Белов, В. Н. Богаткин, И. В. Болдин, С. М. Буденный, Н. А. Булганин, А. А. Быков, Л. М. Воеводин, Н. В. Гавриленко, Л. М. Гайдуков, Л. А. Говоров, А. В. Горбатов, А. А. Гусаков, П. А. Дегтярев, А. И. Еременко, И. Я. Жук, Л. М. Каганович, Г. С. Кариофилли, П. М. Козлов, В. Я. Колпакчи, Л. Р. Корниец, Ф. Я. Костенко, Я. Г. Крейзер, В. В. Крюков, В. Д. Крюченкин, Н. Н. Кузнецов, П. И. Кулешов, П. А. Курочкин, К. Н. Леселидзе, Р. Я. Малиновский, Л. З. Мехлис, К. С. Москаленко, Н. Ф. Науменко, М. И. Неделин, П. Н. Ничков, Г. Ф. Одинцов, И. Е. Петров, М. М. Попов, К. И. Провалов, М. А. Рейтер, A. И. Родимцев, И. Н. Руссиянов, А. И. Рыжов, Ф. А. Самсонов, Л. М. Сандалов, А. Ф. Тверецкий, К. Ф. Телегин, С. К. Тимошенко, И. И. Федюнинский, Ф. М. Харитонов, Я. Т. Черевиченко, А. Н. Черников, П. В. Черняев, И. М. Чистяков, М. Н. Чистяков, В. Ф. Шестаков, А. Ф. Щеглов и др.

На фронтовых дорогах он не раз пересекался с офицерами B. И. Вознюком, А. Г. Мрыкиным, П. П. Пузиком, А. Ф. Пануевым, Г. А. Тюлиным, М. Е. Шубным, А. Г. Карасем, которые после войны стали известными всем Вооруженным силам генералами Ракетных войск стратегического назначения и Космических войск.

После войны всё это будет помогать Нестеренко в решении различных организационных и хозяйственных вопросов в Академии им. Ф. Э. Дзержинского, в 4-м НИИ МО, на полигоне Байконур.

Когда читаешь воспоминания Нестеренко о войне, поражает то, что он ни о ком из окружавших его людей, подчиненных не сказал ни одного плохого слова. Мало того, для характеристики большинства сослуживцев он всегда находит добрые слова: «В этих боях я потерял водителя своей машины Ваню Осипова. Много лет прошло с тех пор, а я и сейчас с болью в сердце вспоминаю его. Осипов был выдержан и находчив, смел, решителен и скромен. Этого высокого сероглазого юношу со Смоленщины я любил как родного брата. Ваня был тяжело ранен во время артиллерийского налета».