2008 m. vasaros olimpinėse žaidynėse Pekine Yamaguchi varžėsi kaip aštuoniolikmetis ir Japonijos komandos narys dviejuose laisvosios stiliaus švaisto varžybose. Nepaisant to, kad ji praleido individualią vietą 200 m laisvosios stiliaus lenktynėse, ji sugebėjo užimti ketvirtąją vietą Tokijo olimpiniuose varžybose (2:01.64), kad būtų išrinkta į atostogų komandą. Dalyvauja su Haruka Ueda, Maki Mita ir Emi Takanabe 4 × 200 m laisvosios stiliaus stotelėje
Galiausiai, Yamaguchi plaukė antrą etapą su 1: 58.51, bet Japonijos komanda turėjo patenkinti septintą vietą 7:57.56. Yamaguchi taip pat dalyvavo 4 × 100 m laisvosios stiliaus švaisto varžybose, kartu su Ueda, Mita ir Asami Kitagawa, tačiau praleido pirmųjų 8 finalą 0,08 sekundės, per 3:39,25 preliminarų laiką.