Po zakończeniu nauki i powrocie do Awa, Nagai został w 1871 r. wysłany na kolejne studia i jako jeden z pierwszych Japończyków podjął naukę na zachodniej uczelni, trafiając do Niemiec. Początkowo zamieszkał u byłego ambasadora . Pod wpływem wykładowców i za zgodą Aokiego skupił się na pogłębianiu wiedzy z chemii i farmacji, mimo że formalnie został do Niemiec skierowany na studia medyczne. Absolwent Uniwersytetu Humboldtów w Berlinie. W następnych latach był asystentem Augusta Wilhelma von Hofmanna i udało mu się wówczas m.in. wyekstrahować związki aromatyczne z wanilii i eugenol z goździków. Za tę ostatnią pracę uzyskał w 1881 r. doktorat berlińskiego uniwersytetu.
W 1884 r. japoński rząd poprosił go o powrót do kraju celem rozwoju sektora badań nad lekami. W efekcie Nagai zaczął kierować pierwszą w kraju firmą farmaceutyczną Dai Nippon Seiyaku Kaisha, a także prowadzić wykłady z chemii i farmacji na Uniwersytecie Tokijskim i z czasem objął posadę profesora chemii. Nagai zasiadał także w licznych rządowych ciałach doradczych i promujących naukę oraz był pierwszym prezesem Japońskiego Towarzystwa Farmaceutycznego. W 1885 r. jako pierwszy wyizolował z rośliny Ephedra vulgaris efedrynę, stosowaną do leczenia przeziębień, zapaleń oskrzeli i astmy, jednak kiedy przedsiębiorstwo E.