Kazuki začal závodit vmotokárách v roce1996, ve kterých byl velmi úspěšný a o tři roky později získal titul japonského mistra motokár ve třídě ICA. Díky svým úspěchům na sebe upozornil vedeníToyoty, která ho zařadila do svého programu na výchovu mladých talentů.
Od roku2002 závodil v japonské školníformuli Toyota, ve které o rok později získal mistrovský titul. V roce2004 závodil v japonském mistrovstvíFormule 3, ve kterém vyhrál 2 závody a skončil na celkovém pátém místě. Další sezonu závodil také v japonské formuli 3, skončil druhý. Navíc se v této sezoně zúčastnil japonského mistrovstvísportovních vozů GT300, ve kterém skončil na celkovém osmém místě.
V roce2006 se přesunul doEvropy. Účastnil se závodůF3 Euroseries. Ovšem po skvělém začátku, kdy první závod dokončil na druhém místě a po vítězství ve čtvrtém závodě už žádných lepších výsledků nedosáhl a v celkové klasifikaci mistrovství skončil na sedmém místě. V dalším roce už závodil v GP2 v týmu DAMS, získal pět pódií a stal se nováčkem roku.
Vlistopadu 2006 byl Kazuki jmenován na místo testovacího pilota týmu Williams, společně sNarainem Karthikeyanem. Poprvé pro tým testoval týž měsíc. Na okruhuFudži odjel v dešti 4 kola. Celkem přes zimu při testech najezdil okolo 7 000km. V pěti závodech byl třetím pilotem týmu a představil se tak při pátečních trénincích.
9. října2007 bylo oznámeno, že Nakadžima nahradí v posledním závodě sezony vBrazíliiAlexe Wurze, který ukončil svou závodní kariéru. Ve svém prvním závodě si Kazuki nevedl vůbec špatně. Po startu z 19. místa se dokázal probojovat na 10. místo v cíli.