In die aktive Politik wechselte Yamamoto bei der Senatswahl 1995, als er in Gunma für die Nachfolge seines wenige Monate vor der Wahl verstorbenen Vaters Tomio Yamamoto kandidierte, ehemaliger Landwirtschaftsminister und Generalsekretär der LDP-Fraktion im Senat, der Gunma dort seit 1977 vertreten hatte. Gunma wählte 1995 noch zwei Senatoren pro Teilwahl: Mit klar dem höchsten Stimmenanteil (44 %) vor dem wiedergewählten sozialistischen Amtsinhaber Giichi Tsunoda (27 %) gewann Yamamoto einen Sitz – sein Vater hatte sechs Jahre zuvor mit deutlichem Rückstand nur den zweithöchsten Stimmenanteil hinter Tsunoda erzielt. Bei der Wahl 2001 wurden Yamamoto und Tsunoda (inzwischen Demokrat) in gleicher Reihenfolge wiedergewählt (Yamamoto 40 %, Tsunoda 28 %). Als Gunma bei der Senatswahl 2007 zum Einmandatswahlkreis wurde, stellte die Demokratische Partei keinen eigenen Gegenkandidaten auf, nur ihr kleiner Koalitionspartner NVP sowie die KPJ: Yamamoto wurde souverän mit 62 % der Stimmen für eine dritte Amtszeit wiedergewählt. Bei der Wahl 2013 wurde er mit 71,9 % der Stimmen gegen die Demokratin Fujiko Kagaya (15,3 %) und zwei weitere Kandidaten erneut im Amt bestätigt.