ב-7 בנובמבר הוכרז על ידי ויליאמס כי נאקאג'ימה יהיה שותף רוזברג בצוות ויליאמס לעונת 2008. הוא החל את שנת 2008 בהצלחה בגראנד פרי של אוסטרליה, סיים במקום השביעי, אך הועבר למקום השישי לאחר שברייצ'לו הודח, אף על פי שהוציא את רוברט קוביקה מהמרוץ וקיבל עונש. הוא סיים במקום השביעי בפרס הגדול של ספרד.
, לאחר שהתחרה על חברו לקבוצה. תקרית בפינה הראשונה עם ג'אנקרלו פיציקה באיסטנבול אילצה אותו לפרוש. נאקאג'ימה זכה בשתי נקודות במונקו, שם אף נהג יפני של פורמולה 1 לא זכה בעבר בנקודה, ופרש מהפרס הגדול של קנדה בשנת 2008 לאחר שפגע בקיר הבורן בעת הכניסה לחלקה הקדמית החדשה. נאקאג'ימה זכה בנקודה נוספת בפרס הגדול הבריטי 2008, לאחר שאיבד את המקום השביעי בסיבוב האחרון. בסינגפור, נאקאג'ימה הגיע לסיבוב השלישי בפעם הראשונה והגיע למקום העשירי ברשימה. הוא המשיך לסיים במקום השמיני וקיבל נקודה.