Nakajima 1985. január 11-én született a Japánban található Okazakiban. Édesapja, Satoru Nakajima is az F1-ben versenyzett korábban, így a versenyzés iránti szenvedélyt a génjeiben örökölte. Ehhez képest egy picit talán későn (persze mihez képest!), mindössze 11 éves korában kezdett el versenyszerűen gokartozni, és három évébe tellett, mire megszerezte első bajnoki címét: a Suzuka Formula ICA gokartos bajnoka lett.
Erre az eredményére figyelt fel a Toyota, amely egyből lecsapott az ifjú tehetségre, és leigazolta fiatal pilótanevelő programjába. Kazuki számára ez azért is volt örömteli fejlemény, mert mindig is tartott attól, hogy édesapjához fogják hasonlítani, és soha nem fogja tudni lemosni magáról azt a bélyeget, hogy csak azért éri el azt, amit, mert az apja F1-es versenyző volt. Márpedig az öreg Nakajimát annak idején a Honda támogatta egész pályafutásában, így az ifjú Kazuki azért is élvezte nagyon a Toyota pártfogását, mert ez számára a függetlenséget is jelentette egyben.
Formulaautós pályafutása kiválóan indult, hiszen egy 2002-es tanulóév után 2003-ban megnyerte a Formula Toyota bajnokságot, majd 2004-ben a Japán F3-as bajnokságban két futamgyőzelemmel és egy év végi 5. hellyel mutatkozott be. 2005-ben ugyanebben a bajnokságban 2. lett, majd a rákövetkező esztendőben már az F3-as Eurószériában nyomta tövig a gázpedált, olyan ellenfelek ellen versenyezve hétről hétre, mint Sebastian Vettel vagy Paul di Resta. A 7. helyen zárta a bajnokságot, ami nem lett volna rossz eredmény újoncként, viszont mindkét csapattársa előtte végzett.
Ennek ellenére 2007-ben a Williams F1-es istálló őt szerződtette tesztpilótaként, és abban az évben körülbelül 7000 km-t tett meg a csapat F1-es autójával. Mindeközben a GP2-ben teljes szezont futott, zsinórban öt futamon dobogóra állt, és legjobb újoncként, csapattársát messze felülmúlva az 5. helyen zárta a bajnokságot.
Még abban az évben sor került éles F1-es bemutatkozására is, miután Alexander Wurz bejelentette visszavonulását. A szezonzáró Brazil Nagydíjon már Nakajima versenyzett Nico Rosberg oldalán, és élete első F1-es nagydíját a 10. helyen zárta, gyorsabb kört futva, mint német csapattársa. Teljesítményét ugyanakkor beárnyékolta egy gyermeteg hiba, tudniillik, első bokszkiállásakor elsodort két szerelőt, akiknek szerencsére nem esett komolyabb baja.
Ez a kettősség innentől kezdve is végigkísérte F1-es pályafutása során. 2008-ban és 2009-ben már teljes szezont futott a Williams színeiben, Rosberg csapattársaként, és így utólag visszatekintve 2008-as teljesítménye egészen megsüvegelendő, hiszen 9 pontot tudott szerezni Rosberg 17 pontjával szemben, és több alkalommal is legyőzte az időmérőn csapattársát. Tudva, hogy Rosberg legyőzése később milyen nehézséget jelentett házon belül még Michael Schumachernek és Lewis Hamiltonnak is, a japán pilóta 2008-as szereplése igenis említésre méltó.
2009-ben viszont sok babér már nem termett neki. Bár mindig nagyon közel járt a pontszerzéshez, ám túl sok buta hibát követett el a döntő pillanatokban, így végül egyetlen szerzett pont nélkül zárta élete második F1-es idényét. Ki is tették a szűrét.
Ettől függetlenül sokáig úgy tűnt hogy 2010-ben is tagja lehet az F1-es mezőnynek, hiszen az akkor újonnan becsatlakozni kívánó Stefan GP már be is jelentette leigazolását, ám végül a kiscsapat tervei meghiúsultak, így Nakajima F1-es folytatásról szőtt álmainak is lőttek. Átmenet volt ő Takuma Sato és Kamui Kobayashi között az F1-ben, és mindenképpen üde színfoltját képezte az akkori mezőnynek. Isten éltesse még nagyon sokáig.
