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。
3年生になる直前、2012年3月の第84回選抜高等学校野球大会初戦の大阪桐蔭高校戦は、5回まで2安打無失点6奪三振の好投を見せ、相手エースの藤浪晋太郎から本塁打も放ったが、最終的に8回2/3を11奪三振11四死球で9失点（自責5）で敗退。
3年生の夏、2012年度の全国高等学校野球選手権岩手大会の準決勝・一関学院高校戦ではアマチュア野球史上初となる160 km/hを記録した。この試合は7回を3安打1失点13奪三振の快投でコールド勝ち。しかし決勝の盛岡大学附属高校戦では、多彩な変化球を操り15奪三振と力投するも、味方のミスや、相手チームによる本塁打など運にも見放され5失点を喫し、高校最後の全国選手権大会出場はならなかった。
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これがホントのメッシヤ
なーんちゃって