Figlio dell'ex pilota di F1 Satoru, Kazuki Nakajima è arrivato in F1 nel 2007 in qualità di collaudatore per la Williams Toyota.

Sotto l'occhio vigile del padre, Nakajima divenne campione della Suzuka Formula ICA di karting all'età di 14 anni prima di entrare a far parte del programma giovani piloti della Toyota. Nel 2003 corse in Giappone nella Formula Toyota ottenendo il titolo prima di finire quinto e secondo nella F3 giapponese nel 2004 e 2005 rispettivamente.

Nel 2006 è approdato alla Formula 3 Euroseries con la Manor Motorsport giungendo settimo a fine stagione. In seguito all'accordo tra Williams e Toyota per la fornitura di motori per il 2007, gli si è aperta la porta per ottenere un ruolo da collaudatore ai massimi livelli.

In seguito al ritiro di Alex Wurz, il team gli ha offerto la chance di debuttare al GP conclusivo di Interlagos, nel quale si è qualificato in 19° posizione e nonostante abbia colpito alcuni uomini ai box durante un rifornimento, ha tagliato il traguardo in decima posizione.

Nel 2008 il giapponese ha segnato nove punti piazzandosi quindicesimo nella classifica piloti e riuscendo a mettere sotto pressione in qualche occasione Rosberg. Nel 2009 correrà ancora con la Williams.