Depois de vencer a Maratona de Osaka em 1990 sendo praticamente uma desconhecida, ficou com a quarta colocação no Campeonato Mundial de Atletismo de 1991, disputado em Tóquio, o que lhe valeu a classificação para Barcelona 1992. Selecionada para os Jogos, Arimori mudou-se, junto om seu técnico Yoshio Koide para Boulder, no estado de Colorado, Estados Unidos, cidade em altitude conhecida por ser um grande centro de treinamento para corredores de longa distância, onde chegou a correr mais de 1000 km por mês, percorrendo distâncias de até 50 km, na preparação para a maratona olímpica. Nos Jogos de Barcelona, conquistou a medalha de prata, a primeira japonesa a ganhar uma medalha no atletismo em Olimpíadas desde Amsterdã 1928. A prova, um duelo épico pelas ruas da cidade, teve a decisão mais apertada até então em Jogos, com Arimori chegando oito segundos atrás da medalhista de ouro, a russa Valentina Yegorova, correndo então pela Equipe Unificada da Comunidade dos Estados Independentes.