Nagaoka nació en Ōmura, Nagasaki, Japón y fue educado en la Universidad de Tokio.

Después de graduarse en 1887, trabajó con el físico visitante británico Cargill Gilston Knott en el campo del magnetismo.

En 1893 viajó a Europa, donde continuó su educación en las universidades de Berlín, Múnich y Viena.

Debido a su disconformaidad propuso un modelo alternativo en el que un centro de carga positiva estaba rodeado por un número de electrones que giran, haciendo el símil con Saturno y sus anillos.

Este modelo ofrecía dos predicciones: Ambas predicciones fueron exitosamente confirmadas por Ernest Rutherford (que menciona la inestimable contribución de Nagaoka en su texto de 1911 en el cual es propuesto el núcleo atómico).