Yamaguchi swoją karierę piłkarską rozpoczął w 1991 w zespole Yokohama Flügels. Największym sukcesem w barwach drużyny z Jokohamy było zwycięstwo w azjatyckim Pucharze Zdobywców Pucharów w sezonie 1994/95 oraz w azjatyckim Superpucharze w 1995. Dwukrotnie wygrał z zespołem rozgrywki o Puchar Cesarza w latach 1993 i 1998. Łącznie przez 7 lat gry dla Flügels zagrał w 213 spotkaniach, w których strzelił 30 bramek. W 1999 zasilił szeregi zespołu Nagoya Grampus Eight. Już w pierwszym sezonie gry dla Grampus zdobył Puchar Cesarza. Był to trzeci triumf Yamaguchiego w tych rozgrywkach. Przez 4 lata gry w Nagoi zagrał w 110 spotkaniach, w których strzelił 6 bramek. W 2003 przeszedł do drugoligowego Albirex Niigata. Pierwszy sezon w tej drużynie zakończył się awansem do J1 League. Od 2005 występował w ekipie Yokohama FC. W 2006 wywalczył z drużyną awans na najwyższy poziom rozgrywkowy w Japonii. Sezon 2007 zespół z Jokohamy zakończył spadkiem do J2 League, a Yamaguchi zakończył karierę piłkarską.
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.
Yamaguchi w latach 2012–2014 był trenerem zespołu Yokohama FC, występującego na drugim poziomie rozgrywkowym w Japonii. Podczas pracy w drużynie z Jokohamy Yamaguchi nie odniósł większych sukcesów trenerskich.
Japonia
