Michail Wassiljewitsch Nesterow wurde am 19. Mai 1862 in Ufa in einer intellektuellen Kaufmannsfamilie mit religiös-patriarchalischer Prägung geboren. Seine Mutter, Maria Michailowna, stammte aus einer alten Kaufmannsfamilie der Rostowzews aus Jelz und hatte einen dominanten Charakter. Der Vater, Wassili Iwanowitsch Nesterow, handelte mit Manufaktur- und Galanteriewaren, interessierte sich jedoch mehr für Geschichte und Literatur. Er unterstützte die künstlerischen Neigungen seines Sohnes, wofür Nesterow ihm sein Leben lang dankbar war.

Bis zu seinem zwölften Lebensjahr lebte Michail in Ufa, besuchte das Gymnasium und erinnerte sich mit Wärme an diese Zeit. Seine Kindheit war von Liebe zum Heimatdorf, zu den Eltern und zur Natur geprägt. Wie sein Freund Sergej Durylin bemerkte, hatte Nesterow schon in der Kindheit eine starke Anziehung zur Natur und ihrer Schönheit.

Die Schulzeit verbrachte er im Orenburger Männergymnasium in Ufa. Im Herbst 1874 zog er auf Drängen seines Vaters nach Moskau, um eine technische Schule zu besuchen, bestand jedoch die Prüfungen nicht und trat in die Realschule von K. P. Woskressenski ein. 1877, auf Rat von Woskressenski, begann er an der Moskauer Schule für Malerei, Bildhauerei und Architektur zu studieren, wo er bei P. S. Sorokin, I. M. Prjanischnikov und W. G. Perow lernte. Ab 1879 nahm Nesterow an Schülerausstellungen teil und schuf Bilder mit Alltagsmotiven, wie „Im Schneeball“ und „In Erwartung des Zuges“.

1881 zog er nach Petersburg und trat in die Akademie der Künste ein, kehrte jedoch 1882 nach Moskau zurück, um erneut bei Perow zu studieren. Nach dem Tod von Perow trat Nesterow in die Schule für Malerei ein, wo er bei A. K. Sawrassow und W. E. Makowski lernte. In dieser Zeit schuf er Genrebilder zu historischen Themen und arbeitete an Illustrationen für Zeitschriften und Bücher.

1885 erhielt er für das Gemälde „Die Berufung M. F. Romanows zur Herrschaft“ den Titel eines freien Künstlers. Ende der 80er Jahre wurde er als Autor von Gemälden zu historischen Themen bekannt, die sein Interesse an der vorkatarinischen Epoche widerspiegelten. Im Sommer 1885 heiratete er M. I. Martynowskaja, doch 1886 starb seine Frau bei der Geburt ihrer Tochter Olga. Das Bild seiner Frau wurde ein wichtiges Motiv in seinen späteren Arbeiten.

Das Gemälde „Der Einsiedler“, das in den Jahren 1888-1889 entstand, wurde Nesterows erstes bedeutendes Werk und wurde von P. M. Tretiakow erworben. Mit dem erhaltenen Geld machte er eine Auslandsreise und besuchte Österreich, Italien, Frankreich und Deutschland.

Das Gemälde „Vision des Knaben Bartholomäus“, basierend auf „Das Leben des heiligen Sergius“, wurde eine Sensation der XVIII. Wanderausstellung und wurde von Tretiakow erworben. Nesterow betrachtete es als sein bestes Werk und widmete über 50 Jahre seiner kreativen Arbeit dem Bild von Sergius von Radonesch.

Seit 1889 nahm Nesterow an den Aktivitäten der Gesellschaft der Wanderer teil. 1890 wurde er eingeladen, an der Ausmalung der Wladimir-Kathedrale in Kiew zu arbeiten. Er widmete mehr als 22 Jahre der Kirchenmalerei und Ikonen und studierte die byzantinische Kunst in Rom, Palermo, Konstantinopel und Ravenna.

Nesterow arbeitete auch an Ausmalungen in anderen Kirchen, darunter die Palastkirche Alexander Newski in Abastumani und das Marfo-Mariinski-Kloster in Moskau. Sein letztes kirchliches Werk war die Ausmalung der Spaso-Transfiguration-Kathedrale in Sumy.

Die Arbeit an den Ausmalungen der Kirchen hatte einen erheblichen Einfluss auf Nesterows Schaffen, in dem das religiöse Thema einen besonderen Platz einnimmt. 1895 schuf er das Gemälde „Unter dem Glockenläuten“, das auf der Wanderausstellung wohlwollend aufgenommen wurde und zu seiner Wahl in die Gesellschaft der Wanderer beitrug.

Nesterow war mehrfach in Jalta, wo er mit bekannten Schriftstellern und Künstlern verkehrte. In seinen Erinnerungen bemerkte er, wie viele Menschen von dem Haus angezogen wurden, in dem er wohnte.