Nakajima oli mukana Norio Sasakin Japanin U-20-maajoukkueessa vuoden 2010 U-20-maailmanmestaruuskisoissa.
Saksassa. Hän esiintyi kaikissa Japanin kolmessa ottelussa Meksikoa, Nigeriaa ja Englantia vastaan, ja teki yhden maalin Englantia vastaan 3-1 voitossa, kun Japani pudotettiin ryhmävaiheessa. Nakajima pelasi ensimmäisen kerran seniorjoukkueessa 14. toukokuuta 2011 Yhdysvaltoja vastaan. 10. heinäkuuta 2013 hän kutsuttiin 2013 Itä-Aasian Cupin Etelä-Koreassa. Hän teki ensimmäisen maalinsa 20. heinäkuuta 2 - 0 voitossa Kiinaa vastaan ensimmäisessä Itä-Aasian Cupin finaalikierron ottelussa. Vuonna 2014 hän pelasi Aasian Cupissa ja Aasian peleissä. Japani voitti mestaruuden Aasian Cupissa ja tuli toiseksi Aasian peleissä. Vuonna 2018 hän pelasi 2018 Asian Cupissa ja Japani voitti toisen peräkkäisen mestaruutensa.