En 1904 desarrolló un modelo planetario del átomo (teoría saturniana) que proponía una gran esfera en cuyo centro hay una carga positiva rodeada por los electrones que la orbitan.No obstante el nombre de su teoría (teoría saturniana) generó gran polémica puesto que se creía que en realidad lo propuesto por Nagaoka era un átomo con un núcleo gigantesco en comparación con sus átomos, cuando en realidad lo que Nagaoka plantea con la esfera, es la gran distancia entre el núcleo y los electrones.