นากาโตโมะติดทีมชาติญี่ปุ่นชุดใหญ่และลงเล่นนัดแรกเมื่อวันที่ 24 พฤษภาคม ปี 2008 ในการแข่งขันนัดกระชับมิตรกับทีมชาติไอวอรีโคสต์ โดยสามารถทำประตูแรกในนามทีมชาติได้ในนัดกระชับมิตรที่พบกับทีมชาติซีเรีย ในวันที่ 13 พฤศจิกายน ปี 2008

นากาโตโมะเคยเป็นหนึ่งในผู้เล่นทีมชาติญี่ปุ่น U-21 ชุดที่ลงแข่งขันในโอลิมปิกฤดูร้อน 2008 และได้ไปร่วมเล่นฟุตบอลโลก 3 สมัยติดต่อกันในปี 2010, 2014, 2018 และได้ไปร่วมเล่นเอเชียนคัพอีก 3 สมัยติดต่อกันในปี 2011, 2015, 2019 และยังได้ไปร่วมเล่นคอนเฟเดอเรชันส์คัพ 1 สมัยในปี 2013

นอกจากนี้นากาโตโมะ ยังเป็นผู้เล่น 1 ใน 7 คนที่สามารถลงเล่นให้กับทีมชาติญี่ปุ่นเกิน 100 นัด อีกด้วย