Nakajima è stato incluso nella squadra nazionale U-20 giapponese di Norio Sasaki per la Coppa del Mondo U-20 del 2010
in Germania. È apparsa in tutte le tre partite del Giappone contro Messico, Nigeria e Inghilterra, segnando un gol in una vittoria di 3 a 1 contro l'Inghilterra, mentre il Giappone è stato eliminato nella fase a gironi. Nakajima ha ricevuto la sua prima coppa per la squadra senior contro gli Stati Uniti il 14 maggio 2011. Il 10 luglio 2013 è stata convocata per la Coppa dell'Asia orientale 2013 in Corea del Sud. Ha segnato il suo primo gol il 20 luglio in una vittoria di 2 a 0 contro la Cina nella prima partita della fase finale della Coppa dell'Asia orientale. Nel 2014 ha giocato alla Coppa d'Asia 2014 e ai Giochi Asiatici 2014. Il Giappone ha vinto il campionato alla Coppa d'Asia e il secondo posto ai Giochi Asiatici. Nel 2018, ha giocato alla Coppa d'Asia 2018 e il Giappone ha vinto il secondo titolo consecutivo.