Nakajima var handtekinn af Williams fyrir tímabilið 2009. Á Austurríkisverðlauninu 2009
Hann féll í vegginn í sjötta beygju og féll úr keppninni. Nakajima var eini ökumaðurinn til að hætta í Bahrain, stöðva fimm umferðir fyrir endann með ofhitað olíu. Hann féll einnig á næst síðasta hringnum í Monaco Grand Prix meðan hann hlaut í 10. sæti. Hann var nálægt því að skora á nokkrum Grand Prix, þar á meðal að missa stig eftir að hafa verið seinkaður í pit lane á tyrkneska Grand Prix. Í Grand Prix Bretlands tryggði Nakajima sér hæsta stig sitt í Formula One, þar sem hann lenti á fimmta sæti fyrir framan Jenson Button sem er á undan í heimsmeistaratitlinum. Hins vegar var kapphlaup hans í hættu vegna lélegrar stefnumótunar og hann endaði á undan stigunum. Nakajima skoraði enn einu sinni næstum mark á Ungverjalandsverðlaunin, endaði aðeins 0,7 sekúndur á eftir áttunda Jarno Trulli. Hann endaði aftur níundi í Singapúr. Í Brasilíu var Nakajima enn einu sinni í baráttunni um stig þar til hann var tekinn út af nýliði og landsmanninum Kamui Kobayashi. Nakajima kláraði tímabilið án þess að skora stig, með liðsfélaga sínum Nico Rosberg sem var einn ábyrgur fyrir öllum stigum sem Williams liðið skoraði, með Nakajima sem eini skoraði ekki stig af þeim ökumönnum sem tóku þátt í hverjum keppni árið 2009.