Nakajima został zatrzymany przez Williams na sezon 2009. Na Grand Prix Australii w 2009 r. wjechał w ścianę w szóstym zakręcie, co wykluczyło go z wyścigu. Nakajima był jedynym kierowcą, który zrezygnował w Bahrajnie, zatrzymując się pięć okrążeń przed końcem z przegrzanym olejem. Upadł również na przedostatnim okrążeniu Grand Prix Monako, kiedy był na dziesiątym miejscu. Prawie zdobył punkt w kilku Grand Prix, w tym stracił punkt po opóźnieniu w pit lane w Grand Prix Turcji. W Grand Prix Wielkiej Brytanii, Nakajima zdobył najwyższą pozycję w historii Formuły 1, kwalifikując się na imponującym piątym miejscu przed liderem mistrzostw świata Jensonem Buttonem. Jednak jego wyścig został skompromitowany przez złą strategię pit, i ostatecznie ukończył poza punktami. Nakajima znów prawie strzelił w
Grand Prix Węgier, kończąc zaledwie 0,7 sekundy za ósmym miejscem Jarno Trulli. Znowu był dziewiąty w Singapurze. W Brazylii Nakajima ponownie walczył o punkty, dopóki nie został zdjęty przez nowicjusza i rodaka Kamui Kobayashi. Nakajima zakończył sezon bez zdobycia żadnych punktów, a jego kolega z zespołu Nico Rosberg był odpowiedzialny za każdy punkt zdobyty przez zespół Williams, a Nakajima był jedynym kierowcą, który nie zdobył punktów w każdym wyścigu w 2009 roku.