Le récent finaliste du tournoi de Montréal s'est imposé contre l'ancien numéro 1 monial 6-7 (3/7), 7-6 (7-4), 6-1 au terme d'un long bras de fer.
L'Américain a mis la pression d'entrée sur le Russe, qui a donné son service sur une faute de revers pour laisser Nakashima mener 4-2.
Si Medvedev a débreaké et haussé son niveau pour aller chercher la première manche, avec notamment un super passing de revers long de ligne dans le jeu décisif, c'est le Californien qui a chipé le deuxième set après avoir sauvé trois balles de match.
"Je me disais 'juste trouve un moyen de rester dans le match', et j'ai continué à me battre, un point après l'autre", a résumé Nakashima après la rencontre.
Medvedev s'est écroulé dans le troisième set, multipliant les gestes d'agacement.
Felix Auger-Aliassime a lui assumé son statut de numéro 4 mondial, se défaisant de l'Argentin Francisco Cerundolo 7-5, 6-1 en montant en puissance pendant le match.
"Une fois que j'ai trouvé mon rythme, j'ai pu me relâcher au deuxième set (...) C'est un bon match pour continuer le tournoi", déclarait le Canadien après la rencontre, qui s'est félicité d'avoir fait "les bons ajustements" face au gaucher.
En huitièmes, Nakashima affrontera le Portugais Nuno Borges, tombeur plus tôt dans la journée du Russe Andrey Rublev (6-3, 6-4).
L'Américain Taylor Fritz, 9e joueur mondial, a aussi validé son billet pour le prochain tour, en effaçant dans l'Ohio le jeune espagnol Daniel Merida Aguilar (6-3, 6-4). Il affrontera en 8e le trentenaire australien Christopher O'Connell, qui a bénéficié de l'abandon du Brésilien Joao Fonseca, touché à l'abdomen.