Nel giugno 2011, Nakajima è stato convocato nella squadra nazionale Under-17 del Giappone per la Coppa del Mondo Under-17 del 2011. Ha giocato due partite e ha segnato un gol contro il Brasile nei quarti di finale, nella partita che la nazionale nipponica ha perso per 3-2. Nel 2015 verrà convocato nella nazionale giapponese Under-23 per partecipare alle qualificazione della Coppa d'Asia Under-23, segnando una doppietta nella vittoria per 2-0 contro il Vietnam e ottenuta la qualificazione il Giappone vincerà la Coppa asiatica Under-23, e Nakajima segnerà una doppietta ai quarti di finale nella vittoria contro l'Iran per 3-0. Sempre nel 2016, viene convocato nella nazionale olimpica per partecipare alle Olimpiadi di Rio de Janeiro e ha indossato la maglia numero 10 per il Giappone. Ha giocato tutte e 3 le partite e ha segnato il gol del pareggio contro la Colombia nella partita che si è conclusa 2-2.