Yamaguchi võistles kaheksateistkümneaastasena Jaapani meeskonna liikmena kahe vabas stiilis reljeevõistlusel 2008. aasta Pekingi suveolümpiamängudel. Vaatamata sellele, et ta ei saanud 200 m vabastiilis osaleda, õnnestus tal Tokios olümpiamängudel neljandal kohal (2:01.64) olla, et saada vahetult stafetisse. Võistlus Haruka Ueda, Maki Mita ja Emi Takanabega 4 × 200 m vabastiilis
Lõpuks ujus Yamaguchi 1:58.51 ajaga teisele etapile, kuid Jaapani meeskond pidi rahulduma seitsmendal kohal 7:57.56 ajaga. Yamaguchi osales ka 4 × 100 m vabastiilis, koos Ueda, Mita ja Asami Kitagawaga, kuid jäi esialgse ajaga 3:39.25 kaheksa parimaid eemal 0,08 sekundit.