Né le 11 janvier 1985 - repéré par Toyota dès son plus jeune âge, Kazuki a participé aux championnats japonais de F3 (5ème 2004 et 2ème 2005) et s'est également aligné dans quelques courses d'endurance GT avant de partir pour l'Europe.

Ses bonnes performances lui ont permis de gravir rapidement les échelons, et d'être nommé pilote d'essais avec Williams en 2007. Meilleur débutant des GP2 Séries, après une saison dans les F3 Euroseries en 2006, Kazuki était lancé dans le grand bain en fin de saison - en remplacement d'Alex Wurz.

Ses bonnes performances et ses liens avec le motoriste japonais Toyota ont convaincu l'équipe anglaise de lui confier un poste de titulaire pour 2008. En dépit de quelques erreurs de débutant, le jeune japonais a démontré être rapide et parfois capable de tenir la dragée haute à son coéquipier, pourtant bien plus expérimenté. Kazuki a marqué neuf points et terminé 15ème du classement des pilotes.

Malheureusement, la saison 2009 n'a pas été aussi brillante pour Nakajima, en dépit du regain de performance de sa monoplace. Pourtant présent lors des 17 départs de la saison, il n'a jamais rallié l'arrivée dans les points, et finalement perdu sa place chez Williams en 2010 et n'est pas assuré d'en retrouver une ailleurs.