Voordat Nagatomo naar Europa vertrok, speelde hij bij FC Tokyo. Met deze club won hij in 2009 de J.League Cup. In juli 2010 tekende Nagatomo een contract op huurbasis bij AC Cesena, een club die uitkomt in de Italiaanse Serie A. Voor zijn vertrek hield hij een afscheidsspeech voor 25.000 fans van FC Tokyo. In januari 2011 tekende hij een vast contract bij Cesena, om vervolgens direct te worden uitgeleend aan Inter Milaan. Hij was de eerste Japanner die uitkwam voor de club uit Milaan. Hij speelt het liefst met rugnummer 5, maar omdat dat nummer al vergeven was aan Dejan Stanković, nam hij rugnummer 55. Nagatomo maakte zijn debuut voor Inter op 6 februari 2011, in een wedstrijd tegen AS Roma, toen hij inviel voor Wesley Sneijder. Een maand later scoorde hij zijn eerste doelpunt voor Inter, in een met 5-2 gewonnen wedstrijd tegen Genoa CFC. Na het seizoen kreeg hij een vast contract bij Inter.