Yamaguchi berkompetisi sebagai pemain berusia delapan belas tahun dan anggota tim Jepang dalam dua acara relai gaya bebas di Olimpiade Musim Panas 2008 di Beijing. Meskipun kehilangan tempat individu di 200 m gaya bebas, ia berhasil menempati posisi keempat di uji coba Olimpiade di Tokyo (2:01.64) untuk mendapatkan seleksi langsung di skuad relay. Berkolaborasi dengan Haruka Ueda, Maki Mita, dan Emi Takanabe dalam 4 × 200 m gaya bebas relay
Dalam final, Yamaguchi berenang leg kedua dengan split 1:58.51, tapi tim Jepang harus puas dengan tempat ketujuh di 7:57.56. Yamaguchi juga berpartisipasi dalam 4 × 100 m gaya bebas relay, bersama dengan Ueda, Mita, dan Asami Kitagawa, tetapi melewatkan final 8 besar dengan 0,08 detik dalam waktu pra-percobaan 3:39.25.