Nakajima foi incluído na selección sub-20 de Norio Sasaki para a Copa do Mundo Sub-20 de 2010.
en Alemaña. Apareceu en todos os tres partidos de Xapón contra México, Nixeria e Inglaterra, marcando un gol na vitoria por 3 a 1 contra Inglaterra, xa que Xapón foi eliminado na fase de grupos. Nakajima recibiu a súa primeira participación no equipo senior contra Estados Unidos o 14 de maio de 2011. O 10 de xullo de 2013, foi chamada para a Copa de Asia Oriental de 2013 en Corea do Sur. Marcou o seu primeiro gol o 20 de xullo nunha vitoria de 2 a 0 contra a China na primeira final da Copa de Asia Oriental. En 2014, xogou na Copa de Asia de 2014 e nos Xogos Asiáticos de 2014. Xapón gañou o campionato na Copa Asiática e o segundo lugar nos Xogos Asiáticos. En 2018, xogou na Copa Asiática de 2018 e Xapón gañou o seu segundo título consecutivo.