Fils de Satoru Nakajima, l'un des meilleurs nippons dans la discipline reine, Kazuki débute une carrière de pilote de karting en 1996. Sept ans plus tard, après une victoire en Formula Toyota Racing School à Fuji, il passe en monoplace et s'impose dans le championnat de Formule Toyota. Toyota lui offre son soutien (son père avait celui de Honda pendant sa carrière) et il accède à la All-Japan F3, l'antichambre de la Formule Nipponne dans laquelle Jacques Villeneuve a fini deuxième en 1992, Tom Kristensen premier en 1993 et par laquelle Adrian Sutil gagne sa place en F1 en 2006.

Après deux saisons dans ce championnat, qu'il achève à la cinquième place en 2004 puis deuxième en 2005, il décide de venir en Europe, afin de participer au championnat F3 Euroseries chez Manor Motorsport. Une saison assez régulière lui permet de finir septième. Toyota, satisfaite de son rendement, demande alors à l'écurie Williams, à qui le constructeur vend ses moteurs, de le prendre comme pilote essayeur pour 2007.

La saison 2007 voit donc Kazuki attaquer de front des essais privés avec Williams-Toyota ainsi que le championnat GP2 Series chez DAMS. Le début de championnat du Japonais est délicat mais il se révèle à partir de la mi-saison, enchaînant notamment cinq podiums consécutifs. Il obtient son meilleur résultat en Hongrie avec une deuxième place. Le Japonais termine le championnat en sixième position, loin devant son équipier Nicolas Lapierre.

Formule 1

Kazuki participe avec Williams à son tout premier Grand Prix de Formule 1 pour la dernière manche de la saison au Brésil. Il remplace Alexander Wurz qui a précipitamment mis un terme à sa carrière. Qualifié au dix-neuvième rang, il parvient à terminer la course dixième mais se fait surtout remarquer en renversant deux de ses mécaniciens en entrant aux stands, sans dommage pour eux heureusement.

Nakajima est finalement titularisé par Franck Williams pour 2008, aux côtés d'un autre « fils-de », Nico Rosberg. Une promotion due à l'appui de Toyota. Cette première saison en Formule 1 est assez satisfaisante. Si Kazuki a du mal à rivaliser avec son équipier, il fait preuve de beaucoup de détermination au volant d'une monoplace franchement ratée et parvient même à cueillir des points dans des situations difficiles. Ainsi aux Grands Prix de Monaco et de Grande-Bretagne, disputés sous la pluie, il arrache les points des septièmes et huitièmes places quand bien d'autres partent à la faute.

Quand la FW30 est en forme, ce qui est rare, il est là pour grappiller quelques unités supplémentaires, comme à Melbourne, Barcelone ou Singapour. Son principal défaut est son manque de compétitivité lors des qualifications, puisqu'il figure presque toujours en fond de grille. Il est aussi sujet aux accrochages et frictions en tous genres dans le peloton, mais malgré cela parvient à terminer presque toutes les courses de la saison. Quinzième au général, Nakajima réalise donc un premier championnat honorable.

Même si certains le voient partant, Kazuki a droit à une deuxième saison complète chez Williams-Toyota en 2009. Mais si la nouvelle FW31 est meilleure que sa devancière, il connaît une saison catastrophique. Complètement dominé par Rosberg, il réussit l'exploit de terminer la saison sans avoir inscrit le moindre point. Toujours sujet aux sorties de piste, il abandonne souvent en début de saison tandis que Rosberg accumule les points. La deuxième partie de son championnat est moins médiocre, avec de meilleures qualifications (il est cinquième sur la grille à Silverstone), mais il ne parvient toujours pas à inscrire le moindre point. Il ne peut faire mieux que deux neuvièmes places, en Hongrie et à Singapour.

Après de telles contre-performances, Frank Williams ne peut que renvoyer le Japonais, d'autant plus que le contrat avec Toyota est rompu par l'écurie britannique. Le constructeur japonais se retire de la Formule 1 à la fin de la saison, laissant Kazuki sans volant.

Le pilote n'a alors d'autre choix que de courir à nouveau dans son pays natal, en formula Nippon notamment ou il termine deuxième du championnat en 2011 derrière André Lotterer. Il sera finalement couronné l'année suivante ainsi qu'en 2014. Mais c'est en WEC, nouvelle mouture du championnat d'endurance, disparu en 1992, que Kazuki va démontrer toute sa valeur.

Champion du Monde d'Endurance

Alors qu'il court toujours avec l'équipe TOM's en formula Nippon et en Super GT, le japonais va renouer avec Toyota, engagé en WEC. Ne faisant que quelques courses les deux premières saisons, il décroche deux fois la première place aux 6H de Fuji. Au Mans, pour sa deuxième participation, il obtient une encourageante quatrième place. Le Toyota Racing connaissant par la suite quelques difficultés, Kazuki ne remporte plus de courses et doit attendre la saison 2017 pour être à nouveau compétitif. La TS050 est alors rodée, avec cinq victoires, il termine deuxième du championnat derrière les pilotes Porsche.

La « super-saison » 2018-2019 sera finalement la consécration ; accompagné de Sébastien Buémi et Fernando Alonso, le trio remporte le championnat WEC et deux fois les 24h du Mans. Il devient ainsi le premier Japonais à remporter un championnat du monde de la FIA. Avec Brendon Hartley et Sébastien Buémi, il signe une troisième victoire de suite dans la Sarthe, et termine deuxième du championnat les deux saisons suivantes.

À 37 ans, Nakajima décide de mettre un terme à sa carrière et pour endosser le rôle de vice-président du team Toyota Gazoo Europe.