Karierę reprezentacyjną rozpoczął 6 stycznia 1995 w meczu przeciwko reprezentacji Nigerii, przegranym 0:3, rozgrywanym w ramach Pucharu Konfederacji 1995. Podczas tego turnieju zagrał także w meczu z Argentyną. W 1996 wziął udział w Pucharze Azji, na którym zagrał w czterech spotkaniach z Syrią i Uzbekistanem, Chinami i Kuwejtem. Był ważnym zawodnikiem reprezentacji podczas eliminacji do Mistrzostw Świata 1998, zakończonych awansem do turnieju. Podczas eliminacji zagrał w 14 spotkaniach, strzelając jedną bramkę (przeciwko Korei Południowej). Po otrzymaniu powołania na turniej finałowy zagrał w trzech meczach grupowych z Argentyną, Chorwacją i Jamajką. Mecz z Jamajką był jego ostatnim spotkaniem w reprezentacji. Łącznie Motohiro Yamaguchi w latach 1995–1998 wystąpił w 58 spotkaniach, w których strzelił 4 bramki.