Startując na mistrzostwach świata Kitajima jedenastokrotnie stawał na podium, w tym trzy razy na najwyższym stopniu ze złotym medalem. W 2003 roku zwyciężył na 100 m i 200 m stylem klasycznym w Barcelonie, a w 2007 w Montrealu na dystansie 200 m stylem klasycznym. Na mistrzostwach świata na krótkim basenie Japończyk ma w swoim dorobku srebrny medal, z 2002 roku w Moskwie.