Inter Miesiąc później Cesena wypożyczyła go jednak do Interu Mediolan, który w zamian wypożyczył Davide Santona do Koników Morskich. Debiut pierwszego Japończyka w barwach Nerazzurrich odbył się 6 lutego 2011 podczas wygranego 5:3 meczu z AS Romą, gdy zmienił Wesleya Sneijdera.
6 marca 2011 strzelił swoją pierwszą bramkę dla Interu w meczu z Genoą. Pod koniec marca wziął udział w charytatywnym meczu, z którego dochód został przekazany ofiarom trzęsienia ziemi w Japonii.
Dzięki występowi w meczu ćwierćfinałowym Ligi Mistrzów z FC Schalke 04 stał się drugim Japończykiem grającym w tych rozgrywkach po Keisuke Hondzie. Po zakończeniu sezonu Inter zdecydował się wykupić go z Ceseny za 10,95 mln euro (w tym połowę praw do Luki Garritano i Luki Caldiroli).
2 grudnia 2011 zanotował dwie asysty w spotkaniu z US Lecce. 20 września 2012 strzelił wyrównującą bramkę na 2:2 Rubinowi Kazań w ramach rozgrywek Ligi Europy. Z Interem wiąże go umowa zawarta w styczniu 2013, a obowiązująca do czerwca 2016 r., na mocy której Nagatomo otrzymuje rocznie 0,8 mln euro wynagrodzenia.
Kariera reprezentacyjna mały|lewo|120px|Nagatomo podczas meczu Japonia – Ghana W 2007 reprezentował Japonię na Uniwersjadzie w Bangkoku.