Nakajima a fost inclus în echipa națională a Japoniei sub 20 de ani a lui Norio Sasaki pentru Cupa Mondială sub 20 de ani din 2010
În Germania. A jucat în toate cele trei meciuri ale Japoniei împotriva Mexicului, Nigeria și Angliei, marcând un gol într-o victorie 3-1 împotriva Angliei, în timp ce Japonia a fost eliminată în faza grupelor. Nakajima și-a jucat pentru prima dată pentru echipa senioră împotriva Statelor Unite pe 14 mai 2011. La 10 iulie 2013, ea a fost chemată la Cupa Asiei de Est 2013 din Coreea de Sud. Ea a marcat primul său gol pe 20 iulie, într-o victorie de 2 la 0 împotriva Chinei în primul meci al rundei finale a Cupei Asiei de Est. În 2014, a jucat la Cupa Asiei 2014 și la Jocurile Asiatice din 2014. Japonia a câștigat campionatul la Cupa Asiei și locul 2 la Jocurile Asiatice. În 2018, a jucat la Cupa Asiei 2018 și Japonia a câștigat al doilea titlu consecutiv.