Yūto Nagatomo commence sa carrière professionnelle en 2007 au FC Tokyo. Il dispute les Jeux olympiques de 2008 à Pékin. Il est sélectionné pour la première fois en équipe du Japon de football en 2008 et fait partie du groupe des vingt-trois sélectionnés pour la Coupe du monde de football de 2010. À l’issue de celle-ci il débarque en Europe, à Cesena FC où il est prêté par le FC Tokyo.
En janvier 2011, il participe à la Coupe d’Asie au Qatar et délivre notamment la passe décisive du but victorieux de Tadanari Lee en finale face à l’Australie. Il est élu meilleur arrière gauche de la compétition.
À la suite de la compétition, les dirigeants de Cesena achètent définitivement le latéral japonais au FC Tokyo. Mais finalement, le 31 janvier 2011, ceux-ci décident de prêter Yūto Nagatomo à l’Inter Milan avec une option d’achat fixée à 6 millions d’euros. Davide Santon effectuant le chemin inverse.
Il marque son premier but avec l’Inter contre le Genoa CFC (5-2), puis un deuxième lors de la victoire de son équipe durant la dernière journée contre le Calcio Catane (3-1). Il remporte son premier trophée avec l’Inter Milan, la Coupe d’Italie, le 29 mai face au Palerme FC (3-1). L’Inter Milan termine finalement à la 2e place de la Serie A après avoir longtemps craint que la qualification pour la Champions League ne lui file entre les doigts. Lors de ses six premiers mois intéristes, Yūto Nagatomo semble avoir gagné sa place de titulaire sur le côté gauche de la défense au détriment d’un Cristian Chivu vieillissant et auteur de piètres prestations en Coupe d’Europe. Le 30 juin 2011, le site officiel du Cesena FC indique que Yūto Nagatomo est désormais officiellement un joueur de l’Inter Milan. Le 8 avril 2016, le club a annoncé la prolongation du contrat du joueur jusqu’en 2019.
Le 31 janvier 2018, Yūto Nagatomo est prêté par l’Inter Milan au Galatasaray SK (option d’achat à 7 millions euros)1. Il est définitivement transféré au club stambouliote l’été suivant. Le 31 août 2020, Yūto Nagatomo signe libre à l’Olympique de Marseille pour une durée d’un an
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