Сочетает вокальную одарённость с артистическим талантом, что позволило ряду авторов говорить о преемственности искусства Е. Е. Нестеренко по отношению к Ф. И. Шаляпину, и даже называть Нестеренко «вторым Шаляпиным». Создатель ярких образов, среди которых на первом месте триумфально встреченный в СССР и по всему миру Борис Годунов («Борис Годунов» М. Мусоргского). Обладатель исключительной дикции, позволяющей с равным успехом исполнять партии не только на родном языке, но и на итальянском, французском и даже венгерском языках.
Родился 8 января 1938 года в Москве в семье военного. С 1949 года жил в Челябинске. Окончил Ленинградский инженерно-строительный институт. Студентом начал брать частные уроки у Марии Матвеевой, затем в 1965 году окончил Ленинградскую государственную консерваторию им. Н. А. Римского-Корсакова (класс профессора В. М. Луканина). Сам Нестеренко с гордостью возводит свою школу к работавшему в России бельгийскому педагогу Камилло Эверарди, а через него — к европейским светилам Мануэлю Висенте Гарсиа и Франческо Ламперти.
Солист Малого оперного театра (1963—1967), Ленинградского Театра оперы и балета (1967—1971), Государственного Академического Большого Театра России (1971—2002).
Вокальный педагог Ленинградской консерватории (1967—1971), Московского музыкально-педагогического института им. Гнесиных (1972—1974), Московской государственной консерватории им. П. И. Чайковского (1975 — наст. время).
Выступал на лучших сценах мира: «Ла Скала» (Италия), «Метрополитен-опера» (США), «Ковент-Гарден» (Великобритания), «Колон» (Аргентина), а также в театрах Вены (Австрия), Мюнхена (Германия), Сан-Франциско (США) и многих других.
Спел более 50 ведущих партий, 21 оперу исполнил на языке оригинала. Исполнитель сольных концертных программ вокальных произведений русских и зарубежных композиторов; русских народных песен, романсов, арий из опер, ораторий, кантат и других произведений для голоса с оркестром, церковных песнопений и др. Записал около 70 пластинок и дисков на отечественных и зарубежных фирмах грамзаписи, в том числе более 20 опер (полностью), арий, романсов, народных песен.
В 1989—1991 — народный депутат СССР. Член КПСС с 1974 года.
Нестеренко Е. Е. является автором свыше 200 печатных трудов — книг, статей, интервью.
В настоящее время живет в Москве и в Вене, преподает в Венской музыкальной академии.
11 мая 2008 года в честь 70-летия Евгения Нестеренко в Большом театре состоялся спектакль «Набукко», в котором певец с успехом исполнил партию Захарии.