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自身が中学3年時にセンバツ大会決勝に進出した岩手県の花巻東高校のエース、菊池雄星に憧れ、同校へ進学。

「日本一になる」「日本人最速となる球速160km/hを記録する」「ドラフトで菊池雄星を越える8球団から1位指名を受ける選手になる」ことを目標に掲げた。

MLB移籍後（2019年時）も「僕にとって雄星さんは特別な存在」と語っている。

大谷はこの高校での寮生活について、良い環境であり自身が大きく変わるきっかけになったと後に語っている。生活や娯楽に制限を受けたことで、何が正しいのかを考えて行動することの重要性を学んだという。

親以外の指導者から教わる経験も初めてであった。監督の佐々木洋による『先入観は可能を不可能にする』（先入観を捨てることによって不可能が可能になる）という言葉を心に刻んだ。

入部後は監督の佐々木洋の「まだ骨が成長段階にある1年夏迄は野手として起用して、ゆっくり成長の階段を昇らせる」という方針により、1年春は「4番・右翼手」で公式戦に出場。

秋からエースを務め、最速147 km/hを記録。

2年春には最速151 km/hを記録し、「みちのくのダルビッシュ」と呼ばれ注目を集める。

第93回全国高等学校野球選手権大会初戦の帝京高校戦では骨端線損傷により右翼手として先発出場するが、4回途中から登板し、田中将大（駒澤大学附属苫小牧高校）に並ぶ甲子園での高校2年生最速タイ記録（当時）となる150 km/hを記録。

その後は治療に専念し、試合には打者限定で出場した。