Nagasato on pelannut Japanin naisten maajoukkueessa 124 maaottelua ja tehnyt niissä 55 maalia. Ensimmäisen maaottelunsa hän pelasi huhtikuussa 2004. Yūki Nagasato -nimisenä hän voitti maailmanmestaruuden vuonna 2011 sekä kuului Japanin joukkueeseen myös MM-kilpailuissa 2007 ja kesäolympialaisissa 2008. MM-kisoissa 2007 hän teki ainoan maalin alkulohko-ottelussa Argentiinaa vastaan, olympialaisissa 2008 Japanin toisen maalin puolivälieräottelussa Kiinaa vastaan sekä MM-kisoissa 2011 Japanin ensimmäisen maalin alkulohko-ottelussa Uutta-Seelantia vastaan. MM-kisojen 2011 loppuottelussa hän tuli kentälle vaihtopelaajana ja oli ainoa japanilaislaukoja, joka ei onnistunut maalinteossa Japanin 3–1-voittoon päättyneessä rangaistuspotkukilpailussa. Lontoon 2012 kesäolympialaisissa Nagasato saavutti olympiahopeaa. Hän oli olympialaisissa Japanin paras maalintekijä tehtyään yhden maalin niin puolivälierä-, välierä- kuin loppuottelussakin. Vuoden 2015 MM-kisoissa Nagasato saavutti hopeaa pelaten täyden peliajan kaikissa Japanin otteluissa ja teki maalin alkulohko-ottelussa Ecuadoria vastaan sekä loppuottelussa Yhdysvaltoja vastaan.