Yamaguchi kilpaili kahdeksantoistavuotiaana ja Japanin joukkueen jäsenenä kahdessa freestyle-reilukilpailussa vuoden 2008 kesäolympialaisissa Pekingissä. Vaikka hän ei päässyt 200 metrin vapaaseen tyyliin, hän onnistui sijoittamaan neljänneksi Tokion olympialaisissa (2:01.64) ansaitsemaan suoran valinnan risteilyjoukkueeseen. Haruka Uedan, Maki Mitan ja Emi Takanaben kanssa 4 × 200 metrin vapaan tyylin risteyksessä
Lopulta, Yamaguchi ui toisella puolella 1:58.51, mutta japanilaisten piti tyytyä seitsemännelle sijalle 7:57.56. Yamaguchi osallistui myös 4 × 100 metrin vapaata rataa, yhdessä Uedan, Mitan ja Asami Kitagawan kanssa, mutta jäi kahdeksan parhaan joukon finaaliin 0,08 sekunnin erolla 3:39,25:n ennalta-arvioinnin aikana.