Yamaguchi keppti sem átján ára gamall og meðlimur í japönsku liðinu í tveimur frjálsum stýlustofum á Ólympíuleikunum í Peking árið 2008. Þrátt fyrir að hafa misst af einstaklingsstaðnum í 200 m frjálsum stíli náði hún að vera í fjórða sæti á Ólympíuleikunum í Tókýó (2:01.64) til að vinna sér inn í stafettadeildina. Teaming með Haruka Ueda, Maki Mita og Emi Takanabe í 4 × 200 m frjáls stýri
Í lokakeppninni, synti Yamaguchi í annarri deild með tímabilinu 1:58.51, en japanska liðið þurfti að sætta sig við sjöunda sæti á tímabilinu 7:57.56. Yamaguchi tók einnig þátt í 4 × 100 m frjálsum stíli stafett, ásamt Ueda, Mita og Asami Kitagawa, en missti af topp 8 úrslitum með 0.08 sekúndu í 3:39.25.