Tuliskan kelanjutan untuk paragraf ini - Nakajima dimasukkan dalam skuad tim nasional U-20 Jepang Norio Sasaki untuk Piala Dunia U-20 2010
di Jerman. Dia tampil di semua tiga pertandingan Jepang melawan Meksiko, Nigeria dan Inggris, mencetak satu gol dalam kemenangan 3-1 melawan Inggris, karena Jepang tersingkir di babak penyisihan grup. Nakajima menerima cap pertamanya untuk tim senior melawan Amerika Serikat pada tanggal 14 Mei 2011. Pada tanggal 10 Juli 2013, ia dipanggil untuk Piala Asia Timur 2013 di Korea Selatan. Dia mencetak gol pertamanya pada tanggal 20 Juli dalam kemenangan 2-0 melawan China di pertandingan putaran final Piala Asia Timur pertama. Pada tahun 2014, ia bermain di Piala Asia 2014 dan Asian Games 2014. Jepang memenangkan kejuaraan di Piala Asia dan tempat kedua di Asian Games. Pada tahun 2018, ia bermain di Piala Asia 2018 dan Jepang memenangkan gelar kedua berturut-turut.