באליפות העולם בשחייה שנערכה בברצלונה, ספרד בשנת 2003 זכה קיטאג'ימה ב-3 מדליות 2 מהן זהב. מדליות זהב במשחה ל-100 מטר חזה בשיא עולם חדש של 59.78 שניות, לפני הנסן (1:00.21 דקות) וג'יימס גיבסן מבריטניה (1:00.37 דקות) ובמשחה ל-200 מטר חזה בשיא עולם חדש נוסף, בזמן של 2:09.42 דקות, לפני יאן אדמונד מבריטניה (2:10.92 דקות) והנסן (2:11.11 דקות). מדליית ארד במשחה שליחים 4x100 מטר מעורב בתוצאה של 3:36.12 דקות, אחרי ארצות הברית שקבעה שיא עולם חדש (3:31.54 דקות) ורוסיה (3:34.72 דקות).