Nagatomo debuteerde op 24 mei 2008 in het Japans voetbalelftal in de wedstrijd tegen Ivoorkust. Datzelfde jaar werd hij opgenomen in de selectie voor de Olympische Zomerspelen. Japan werd echter al in de groepsfase uitgeschakeld. Op het wereldkampioenschap voetbal van 2010, waar Nagatomo alle wedstrijden voor Japan speelde, werd Japan uitgeschakeld in de eerste knock-outronde door Paraguay. Meer succes met het nationale elftal had hij in 2011, toen de Azië Cup werd veroverd.