Fils deSatoru Nakajima, un des plus célèbres pilotes japonais, et frère aîné de Daisuke Nakajima (qui participe en 2009 auchampionnat de Grande-Bretagne de Formule 3[1]), Kazuki Nakajima commence sa carrière en sports mécaniques en 1996 par lekarting. En 2003, il débute en sport automobile en championnat du Japon de Formule Toyota grâce à sa victoire l'année précédente à l'école de pilotage Toyota à Fuji (Formula Toyota Racing School) et remporte le championnat de Formule Toyota.
Soutenu parToyota, alors que son père Satoru était le pilote fétiche de Honda dans lesannées 1980, il accède auchampionnat du Japon de Formule 3 en 2004. Cinquième du championnat dès sa première saison, il termine vice-champion de la discipline en 2005. En 2006, il s'engage dans le championnat deFormule 3 Euroseries au sein de l'équipeManor Motorsport et se classe septième. Ses résultats corrects ainsi que le soutien de Toyota lui permettent d'obtenir, pour la saison 2007, une place de pilote-essayeur chezWilliams-Toyota enFormule 1.
Il dispute en parallèle le championnat deGP2 Series dans l'écurie françaiseDAMS. Après une première moitié de saison difficile, il concrétise sa pointe de vitesse par une série de podiums dans la deuxième partie du championnat et se classe finalement cinquième et meilleur débutant.
Il participe, avecWilliams, à son premier Grand Prix deFormule 1 le auBrésil en remplacement d'Alexander Wurz, qui a mis un terme à sa carrière, pour épaulerNico Rosberg. Qualifié à la dix-neuvième place, il termine dixième après avoir réalisé le cinquième meilleur tour en course ; il se fait également remarquer lors de son passage au stand où il renverse deux mécaniciens. Il se classe vingt-deuxième du championnat sans aucun point. Le, il est confirmé en tant que titulaire pour lasaison 2008[2], toujours aux côtés de Rosberg.
Durant la saison 2008, Nakajima, septième duGrand Prix d'Australie àMelbourne, se classe finalement sixième après le déclassement de laHonda deRubens Barrichello. Il termine également septième enEspagne puis àMonaco et inscrit le point de la huitième place àSilverstone et àSingapour où il s'est qualifié avec le dixième temps. En 18 courses, il n'abandonne qu'à deux reprises (après un accrochage avec laForce India deGiancarlo Fisichella au départ duGrand Prix de Turquie, et après un accident auCanada). Il est confirmé pour2009 après sa huitième place à Singapour[3]. Il se classe quinzième du championnat avec neuf points.
2009 est plus difficile : alors que son coéquipier Rosberg inscrit 34,5 points et termine souvent dans les points, le Japonais n'inscrit aucun point malgré de bonnes performances en qualifications (cinquième àSilverstone, neuvième àBudapest etInterlagos). Il abandonne également à six reprises en 17 Grands Prix, souvent sur des accidents, et se classe vingtième du championnat. À la fin de la saison, le retrait de Toyota, qui fournissait Williams en moteurs et lui assurait un volant dans l'écurie britannique, le force à quitter la Formule 1 après le projet avorté de l'écurieStefan GP.
En 2015, lors de la deuxième séance d'essais libres des6 Heures de Spa 2015, il est victime d'un accrochage avecOliver Jarvis et se fracture une vertèbre. Lors des24 Heures du Mans 2016, il subit une perte de puissance avant d'aborder le dernier tour alors qu'il est en tête de l'épreuve avec plus d'une minute d'avance sur laPorsche, ce qui prive l’équipage etToyota de la victoire.
En décembre 2021, Kazuki Nakajima, qui a également confirmé sa retraite du cockpit, devient vice-président deToyota Gazoo Racing Europe, l’organisation basée à Cologne qui construit et engage les voitures de la marque Toyota enWEC[4].