O 7 de novembro foi confirmado por Williams que Nakajima sería o compañeiro de Rosberg no equipo Williams para a tempada 2008. Tivo un exitoso comezo de 2008 no Gran Premio de Australia, terminando sétimo, pero ascendeu ao sexto posto despois de que Rubens Barrichello fora descalificado, aínda que eliminou a Robert Kubica da carreira e foi penalizado. Despois terminou sétimo no Gran Premio de España, superando ao seu compañeiro de equipo. Un incidente na primeira curva con Giancarlo Fisichella en Estambul obrigouo a retirarse. Nakajima marcou dous puntos en Mónaco.
onde ningún piloto xaponés de Fórmula Un marcou un punto, e retirouse do Gran Premio de Canadá de 2008 despois de bater na parede dos boxes ao pitar para unha nova asa dianteira. Nakajima anotou outro punto no Gran Premio de Gran Bretaña de 2008, despois de perder o sétimo lugar na última volta. En Singapur, Nakajima chegou á terceira ronda de clasificación por primeira vez clasificándose décimo na grella. Terminou oitavo e anotou un punto.