Nakajima var i sesongen 2007 testfører for Williams sammen med Narain Karthikeyan. Etter at Alexander Wurz trakk seg fra laget før det siste løpet fikk Nakajima sin debut i Formel 1 i Brasils Grand Prix 2007. Han endte på tiendeplass, men ble likevel best husket for at han kjørte på to av mekanikerne under sitt første depotstopp.
I 2008 sesongen er Nakajima sammen med Nico Rosberg førere for Williams. Han fikk en god start i Australia med en syvendeplass som ble til en sjetteplass etter at Rubens Barrichello var diskvalifisert. Han fullførte så på en syvendeplass i Spania, hvor han også kvalifiserte seg bedre enn Rosberg. I det neste løpet i Tyrkia kolliderte han med Giancarlo Fisichella og måtte bryte. I Monaco fikk han to nye poeng med en ny syvendeplass, og ble den første japanske føreren til å ta poeng i Monaco. Det neste løpet som gikk i Canada måtte han bryte etter og ha kjørt i veggen på vei inn i pit for en ny frontvinge. Nakajima fikk enda et poeng i Storbritannia og i Singapore. Nakajima endte sesongen på en 15.-plass totalt med 9 poeng.
2009-sesongen startet dårlig med flere brutte og poengløse løp. Nakajima kvalifiserte seg imidlertid til 5. startplass i Storbritannias Grand Prix, men endte på en 11.-plass. I Ungarns Grand Prix kom han nærmest med en 9.-plass, like bak Jarno Trulli. Foran Europas Grand Prix i Valencia, hadde japaneren fremdeles ingen poeng, i motsetning til sin lagkamerat Nico Rosberg som da lå på en 5.-plass totalt med 25,5 poeng.
