En 2011, Mitsuki Yamamoto participó en la serie de televisión "Let's Be Happy Together" protagonizada por Katori Shingo, y lanzó así su carrera como actriz.
En 2012, Mitsuki Yamamoto coprotagonizó con Ryunosuke Kamiki, Ai Hashimoto, Mayu Matsuoka y otros la película de retratos del grupo juvenil "Escuché que Kirishima abandonará la película", e interpretó el papel de Kirishima en la película. Juega el papel de Risa Iida, la novia de Shima. En septiembre participó en el drama japonés de suspenso SP "The Quiz". En octubre, protagonizó el drama romántico adaptado al manga "Pieza" con Tsubasa Honda, Yuma Nakayama y otros. Luego también protagonizó el drama médico "Doctor X: Surgeon Daimon Mikiko" protagonizado por Ryoko Yonekura.
En 2013, Mitsuki Yamamoto coprotagonizó con Haruna Kawaguchi, Mayu Matsuoka, Alice Hirose y otros la película de terror "Screaming School", e interpretó el papel de un misterioso fantasma femenino en la película Huangquan. En julio, participó en el drama romántico moderno "SUMMER NUDE" protagonizado por Yamashita Tomohisa, Karina y otros. En octubre, participó en la película de comedia basada en cómics "Daily Life of a High School Boy", protagonizada por Masaki Sugata. Luego también protagonizó el drama japonés de ciencia ficción "Antang Robot", protagonizado por Kimura Takuya, e interpretó el papel de Kuriyama Kaoru. en el drama. Un rincón. En diciembre, Mizuki Yamamoto también se desempeñó como narradora de la película "Pikachu and the Pokemon Band", que también fue su primer trabajo como actriz de doblaje.
En 2014, Mitsuki Yamamoto participó en el inspirador y conmovedor drama japonés "The Time of My Existence", protagonizado por Miura Haruma, y luego se unió a la película de acción real adaptada al manga "Black Butler", protagonizada por Mizushima Hiroshi. En la obra, ella interpreta el papel de Ling, una criada que tiene una personalidad lenta y comete muchos errores. En febrero se estrenó en Japón la película "Tokyo Refugees" en la que participó. En junio, coprotagonizó la película de comedia de ciencia ficción "Girls' Squad" con Mirei Kiritani, Kasumi Arimura y otros, y luego protagonizó el cálido y curativo drama japonés "Father's Back". Luego también protagonizó el drama escolar adaptado al manga "Blue Flame" con Yuya Yanagaku, e interpretó a la animada y encantadora heroína Tomiko Morinaga en el drama. Este fue también su primer papel protagónico en un drama japonés. En octubre, participó en el drama japonés de ciencia ficción adaptado al manga "Hell Teacher", protagonizado por Ryuhei Maruyama. Luego también participó en la película romántica "Close Love", protagonizada por Yamashita Tomohisa y Komatsu Nana, e interpretó a la heroína en el drama. Su amiga Nami Kikuko interpreta el papel. Ese mismo año, también participó en la conmovedora película familiar "Onodera Sisters", protagonizada por Mukai Ri.
En 2015, Mitsuki Yamamoto protagonizó el drama de misterio y crimen japonés "64", protagonizado por Pierre Taki. En julio, también se unió a la comedia romántica de Yuejiu "Lian Zhong", protagonizada por Fukushi Sota y Honda Tsubasa. En agosto, protagonizó la película de tema social "Tokyo Public Relations Girl" con Yunori Yamamoto. Esta fue también su primera vez como heroína de una película. Protagonista de la película "Sadako vs Kayako".
En 2016 protagonizó la película "Girl" adaptada de la novela junto a Tsubasa Honda. Protagonista de la película de cómics "Peach Girl".