Formado en la Red Bull MotoGP Academy, Takaaki Nakagami debutó en 2008 en el escenario mundialista. Tras dos temporadas completas en la menor de las categorías, el japonés no formó parte de ninguna parrilla del Campeonato del Mundo en 2010 y 2011. Al año siguiente reaparecería, esta vez en Moto2™, con plaza permanente. En 2013 se convirtió en uno de los protagonistas de la temporada tras sumar 3 'poles' y 5 podios, 4 de ellos de manera consecutiva. En 2014 esperaba conseguir por fin su ansiada primera victoria en un nuevo equipo, el Idemitsu Honda Team Asia, pero los resultados no llegaron. Tampoco pudo lograr dicho objetivo en 2015, aunque logró subir de nuevo al podio al terminar 3º en Misano. En 2016, 'Taka' afrontaba su tercera temporada con el equipo asiático y en Assen tocaría la gloría al vencer en una carrera marcada por la lluvia.
El japonés cerraba 2016 con 4 podios y 2017 con otros 4, lo que le valió el salto a la categoría reina en 2018 de la mano del LCR Honda Idemitsu. En una temporada muy regular, quedando cerca del Top 10 en muchas ocasiones, su mejor resultado llegó en Valencia: una sexta plaza que le daba alas para 2019, donde firmaría un año consistente, acumulando 9 carreras en el Top 10 con una quinta plaza en Mugello como mejor resultado. Una operación de hombro tras el GP de Japón pondría fin a su temporada de forma prematura, a la espera de llegar al cien por cien al inicio de su tercer curso en MotoGP™. No defraudaría, llegando a coger las riendas de Honda ante la lesión inicial de Marc Márquez. Totalmente abonado al Top 10, sería uno de los pilotos más regulares del año, aunque se vería penalizado al ser incapaz de subir al podio. Su primera 'pole' en el GP de Teruel y su mayor conocimiento de la RC213V invitarían al optimismo de cara a 2021. Sin embargo, la suerte le fue esquiva y no logró firmar ningún podio pese a estar cerca en diversas ocasiones. El japonés afrontaría el 2022 con la misma estructura y con ganas de firmar su primer Top 3 en la categoría reina, pero las dificultades de HRC no ayudaron. Finalmente, Nakagami finalizaría un tormentoso 2022 con un séptimo puesto como mejor resultado. Para 2023, lucharía por mantenerse dentro de MotoGP™ y, a pesar de otra temporada difícil en la que un octavo puesto sería su mejor resultado, los esfuerzos de Nakagami se verían recompensados con un año más con el IDEMITSU Honda LCR. Sin embargo, en esa temporada 2024 perdería su estatus de piloto titular al término de la campaña. Se convertiría en piloto de pruebas de Honda en 2025 y participaría en varios Grandes Premios como wildcard o sustituto. Firmaría, en particular, una excelente sexta posición bajo la lluvia en Le Mans y también correría en Italia, así como en la República Checa.