Nagatomo memulai karier profesionalnya bersama FC Tokyo pada 2007 dan kemudian pindah ke klub-klub Eropa yang memperkuat kemampuannya di kancah internasional. Pada 2010, ia bergabung dengan klub Italia, A.C. Cesena, sebelum akhirnya direkrut Inter Milan dan menjadi pemain Asia pertama yang bergabung dengan klub tersebut. Di Inter, Nagatomo mendapat kepercayaan tinggi, bahkan sempat menjadi kapten.
Tidak hanya di Italia, Nagatomo juga pernah bermain di Galatasaray, klub Turki yang membawanya meraih gelar liga berturut-turut, serta di Olympique Marseille, Perancis. Dengan rekam jejak tersebut, Nagatomo adalah salah satu bek Asia yang berhasil menorehkan banyak prestasi di level internasional. Saat ini, ia kembali ke klub asalnya di FC Tokyo untuk melanjutkan kariernya di liga domestik.
