Nakajima var tekinn inn í U-20 landsliðshóp Norio Sasaki fyrir
2010 U-20 heimsmeistaramótið í Þýskalandi. Hún kom fram í öllum þremur leikjum Japans gegn Mexíkó, Nígeríu og Englandi og skoraði eitt mark í 3-1 sigri gegn Englandi, þar sem Japan var útrýmt í riðlakeppninni. Nakajima hlaut sinn fyrsta leik fyrir eldri liðið gegn Bandaríkjunum þann 14. maí 2011. Þann 10. júlí 2013 var hún kölluð til Austur-Asíu-bikarinnar 2013 í Suður-Kóreu. Hún skoraði sitt fyrsta mark þann 20. júlí í 2<unk>0 sigri gegn Kína í fyrsta úrslitaleik Austur-Asíubikarins. Árið 2014 lék hún á Asíubikarnum 2014 og Ásíuleikunum 2014. Japan vann meistaratitilinn á Asíubikarnum og 2. sæti á Asíuleikjum. Árið 2018 lék hún á Asíubikarnum 2018 og Japan vann annað titil sinn í röð.