Nakajima maakte op 14 mei 2011 haar debuut in het Japans vrouwenvoetbalelftal tijdens een vriendschappelijke wedstrijd tegen de Verenigde Staten. Zij nam met het Japans elftal deel aan het Aziatisch kampioenschap 2014 en Aziatische Spelen 2014. Japan behaalde goud op de Aziatisch kampioenschap en zilver op de Aziatische Spelen. Zij nam met het Japans elftal deel aan het Aziatisch kampioenschap 2018 en Aziatische Spelen 2018. Japan behaalde goud op de Aziatisch kampioenschap en Aziatische Spelen. Ze heeft 69 interlands voor het Japanse elftal gespeeld en scoorde daarin 14 keer.