同年8月31日、突然メジャー昇格を言い渡される。サンフランシスコ・ジャイアンツの遠征先であるニューヨーク行きの航空券を渡されてそのまま空港へというあわただしい状況だったという。ニューヨークに着くと、チームの関係者から「契約書にサインをするように」と言われて契約の中身もわからずサインをした村上は、翌9月1日の対ニューヨーク・メッツ戦に日本人として初めてメジャー登板を果たした。9月29日に対コルト45's戦の9回同点の場面で登板して11回までを無失点に抑え、11回にチームがサヨナラ勝ちしたため初の日本人メジャー勝利投手となった。同年は9試合に投げ1勝1セーブ、防御率1.80の好成績を収めた。しかし、当時の日本は1964年東京オリンピック準備と開催の真っ只中だったため、日本マスコミの扱いは小さかった。翌1965年もジャイアンツとの契約を結んだが、そのオフに南海が留学の際の契約を反故にし村上を帰還させるよう主張したことで、村上の保有権を巡りホークス・ジャイアンツ両球団間で紛糾が勃発した。話し合いは平行線をたどり、また、メジャーリーグコミッショナーのフォード・フリックは当然のことながらジャイアンツを全面支持した。これに対し、日本野球機構コミッショナーの内村祐之は1965年シーズン終了をもって南海に復帰させるという妥協案を提示し、シーズン開幕後の4月末にようやく決着。この年、日本人初の安打も記録している。村上は都合2年間メジャーでプレーした（詳しくは日本人選手のメジャーリーグ挑戦を参照）。村上はメジャー残留を希望し、ジャイアンツも再契約する意向だったが、両親やチームの説得に加え、事実を全く把握していないマスコミには「村上はわがまま」批判され、泣く泣く断念した。1995年移籍の野茂英雄以降、数多くの日本人大リーガーの活躍によって村上が残した戦績は相対的に小さなものとなってしまったが、上記のようにまだ若く、しかも成績上昇中の中で無理矢理帰国させられたこと、二人目の野茂に30年も先んじていることを合わせると、その果たした歴史的役割は非常に大きい。
2015年1月21日にワシントン・ナショナルズと7年総額2億1000万ドルで契約を結んだ事が発表され、入団会見を行った。背番号は、新しく「31」となった。6月20日のピッツバーグ・パイレーツ戦でノーヒットノーランを達成。さらに10月3日のニューヨーク・メッツ戦で2010年のロイ・ハラデイ以来史上6人目となるシーズン2度目のノーヒットノーランを達成した。最終的には33試合に登板し、ナ・リーグ8位の防御率2.79・リーグ4位のWHIP0.92を記録。いずれもリーグ最多タイの3完封勝利を含む4完投し、14勝を挙げて通算100勝も達成。奪三振276はリーグ2位にランクイン且つ4年連続230以上となる数字であり、与四球率1.34も自己記録を更新するなど、スティーブン・ストラスバーグの調子が上がらない中、大エースとしてチームを引っ張った。この活躍ぶりもあって、シーズンオフのサイ・ヤング賞投票では5位に入った。2016年5月11日のタイガース戦で9イニングではロジャー・クレメンス、ケリー・ウッド、ランディ・ジョンソンに次ぐMLB最多タイ記録となる20奪三振を記録した（6安打2失点で完投勝利）。このシーズンは序盤被本塁打が激増し（5月までにで72.1イニングで15被本塁打を記録）安定感を欠いたが、徐々に調子を上げ、6月、7月は防御率1点台を記録。最終的にはリーグトップの20勝・284奪三振・228.1イニング・WHIP0.97、リーグ8位の防御率2.96を記録し、自身3度目（ナ・リーグでは初）の最多勝と初の最多奪三振の2冠を達成した。打撃では自己最多の13犠打で、野手も含めて両リーグ最多を記録。ロサンゼルス・ドジャースとのディビジョンシリーズでは、第1戦と第5戦に先発したが、12回3被本塁打5失点で0勝1敗に終わり、チームも2勝3敗で敗退となった。しかしレギュラーシーズンの活躍は評価され、自身2度目のサイ・ヤング賞を受賞し、史上6人目の両リーグでの受賞者となった。オフの11月8日に第4回ワールド・ベースボール・クラシック(WBC)のアメリカ合衆国代表への参加の意思を表明し、12月5日に選出された。2017年1月9日に右手薬指を疲労骨折したため 、自身のツイッターで選出されていた第4回WBCアメリカ合衆国代表辞退を表明した。シーズンでは開幕から好調を維持し、6月11日のレンジャーズ戦で通算2000奪三振を達成。1784イニングでの達成は歴代3番目のスピード記録であった。オールスターゲームにも出場し、自身2度目の先発投手を務めた。8月1日のマーリンズ戦で初本塁打を放ったが、直後に首の痙攣で降板、故障者リスト入りした。9月19日のブレーブス戦でルイス・ゴハラからシーズン250奪三振を記録し、史上4人目となる4年連続250奪三振を記録した。シーズン通算では、故障者リスト入りの影響もあり投球回こそ減少したが、16勝6敗、防御率2.51、268奪三振で2年連続の最多奪三振受賞となった。11月15日、2年連続、自身3度目のサイ・ヤング賞を受賞した。2018年はまず開幕戦で10奪三振の球団記録を更新した。その後も好投を続け、6月5日のタンパベイ・レイズ戦で両リーグ最速で10勝に到達。7月2日のボストン・レッドソックス戦では移籍後通算1000奪三振に到達し、2球団で1000奪三振を記録した11人目の選手になった。オールスターゲームにも出場し、2年連続3回目の先発投手を務めた。後半戦も好調を維持し、9月25日のマーリンズ戦で自身初となるシーズン300奪三振を達成（この試合も含め、この年は二桁奪三振を18試合で記録した）。18勝（リーグ1位）・防御率2.53（同3位）・220.2イニング（同1位）・WHIP0.91（同1位）・奪三振率12.2（同1位）の好成績で2年ぶりの最多勝・3年連続の最多奪三振の2冠となった。サイ・ヤング賞投票ではジェイコブ・デグロムに敗れ2位だった。2019年も開幕投手を務めた。5月までは本調子が出ず、チームも低迷していたことから負けが込んだ。それでも4月26日には史上3番目の速さで通算2500奪三振に到達した。6月は圧巻の投球を見せ、6戦6勝・防御率1.00・68奪三振を記録。全てで7回以上投げ、2失点以下、9三振以上を奪った。6月12日のフィラデルフィア・フィリーズ戦では前日のバント練習で自打球が顔面に直撃し鼻を骨折しての登板ながら、7回無失点・10三振で6勝目を挙げた。同月の月間MVPに選ばれた。7年連続でオールスターゲームに選出されたが、故障を理由に出場辞退。背中の張りで自身2度目の故障者リスト入りして後半戦を迎え、一度登板するも再び故障者リストに戻って1か月近く離脱した。8月後半に復帰して同29日のボルチモア・オリオールズ戦で8年連続200奪三振に到達するも、9月は防御率5点台と調子を落としてレギュラーシーズンを終えた。最終成績は19先発で11勝7敗、防御率2.92、243奪三振（リーグ3位）だった。