Nach einigen guten Leistungen im Kart-Bereich wurde Nakajima in das Nachwuchsförderprogramm von Toyota aufgenommen. Seine ersten Formel-Stationen absolvierte Kazuki in der nationalen Formel Toyota 2002 und der japanischen Formel 3 Serie 2004.
Nach zwei erfolgreichen Jahren machte der Japaner einen Sprung von der japanischen in die europäische Formel 3-Serie und fuhr gegen bekannte Namen wie Sebastian Vettel oder Paul di Resta. Nach guten Resultaten, unter anderem einem Sieg am Lausitzring, beendete Nakajima das Jahr als Tabellensiebter. Als Lohn gab es einen Testfahrervertrag beim Williams F1-Team, bei dem Motorenlieferant Toyota sicherlich ein wenig nachgeholfen hat.
Parallel zu seinem Job als Testfahrer trat der Japaner 2007 in der GP2-Serie an. Mit sechs Podiumsplätzen - aber keinem Sieg - wurde der sympathische Mann aus Okazaki am Ende als bester Rookie Fünfter.
Gegen Ende der Saison verdichteten sich die Gerüchte, dass Williams-Stammpilot Alex Wurz seine Karriere als aktiver Rennfahrer beenden würde. Nakajima stand schnell als Ersatz fest und konnte sogar noch beim Saisonfinale 2007 in Brasilien sein GP Debüt geben. Obwohl der Japaner in seinem ersten Williams-Start mit Rang zehn die Punkte knapp verpasste und beim ersten Boxenstopp zwei Mechaniker anfuhr, bestätigte das britische Team Nakajima für die Saison 2008 als Stammfahrer an der Seite von Nico Rosberg.
In seiner ersten kompletten Formel 1-Saison konnte Nakajima nur selten aus dem Schatten seines Teamkollegen fahren, sorgte mit immerhin fünf Punkteplatzierungen für einen Achtungserfolg. Zur Belohnung gab es vom Team eine Vertragsverlängerung für das Jahr 2009.
In der Saison 2009 ging der Japaner aber komplett unter. In 17 Rennen konnte er nicht einmal in die Punkteränge mit seinem Williams fahren. Sein 20. Platz in der WM sieht gegen den siebten Platz von Teamkollege Nico Rosberg eher mager aus. Ob es mit diesen Leistungen 2010 eine Fortsetzung in der Formel 1 gibt, bleibt offen.
