2012年7月，山口萤入选日本国奥队参加2012年夏季奥林匹克运动会男子足球比赛的18人名单。山口萤参加了日本队的全部比赛，并帮助球队获得奥运会的第四名，这是日本男足在1968年本土举办的奥运会之后取得的最好成绩。2013年7月，山口萤入选日本国家足球队参加2013年东亚杯的23人名单。7月21日，山口萤在日本3-3战平中国的比赛中首发出场，首次代表国家队出战。山口萤在此届东亚杯3场比赛全部出场，帮助日本以2胜1平的不败成绩历史上首次获得东亚杯冠军。山口萤也当选为赛事的最有价值球员（MVP）。2