Yamaguchi maakte op 28 juli 2007 haar debuut in het Japans vrouwenvoetbalelftal tijdens een vriendschappelijke wedstrijd tegen de Verenigde Staten. Zij nam met het Japans vrouwenvoetbalelftal deel aan het Aziatisch kampioenschap 2010. Daar stond zij in alle vijf de wedstrijden van Japan opgesteld. Japan behaalde brons op het Aziatisch kampioenschap. Ze heeft 18 interlands voor het Japanse vrouwenelftal gespeeld en scoorde daarin acht keer.