Pada tanggal 7 November dikonfirmasi oleh Williams bahwa Nakajima akan menjadi mitra Rosberg di tim Williams untuk musim 2008. Dia memiliki awal yang sukses untuk 2008 di Grand Prix Australia, finis ketujuh tetapi dipromosikan ke keenam setelah Rubens Barrichello didiskualifikasi, bahkan saat mengetuk Robert Kubica keluar dari perlombaan dan dihukum. Dia kemudian finis ketujuh di Grand Prix Spanyol, setelah mengalahkan rekan setimnya. Sebuah insiden di tikungan pertama dengan Giancarlo Fisichella di Istanbul memaksanya untuk pensiun. Nakajima mencetak dua poin di Monaco
di mana tidak ada pembalap Formula Satu Jepang yang sebelumnya mencetak poin, dan pensiun dari Grand Prix Kanada 2008 setelah menabrak dinding pit saat pit untuk sayap depan baru. Nakajima mencetak satu poin lagi di Grand Prix Inggris 2008, setelah kehilangan tempat ketujuh di lap terakhir. Di Singapura, Nakajima lolos ke babak kualifikasi ketiga untuk pertama kalinya dengan peringkat 10 di grid. Dia pergi ke finish kedelapan dan mencetak satu poin.