Yūya Ōsako viene convocato nella nazionale giapponese per disputare l'edizione 2013 della East Asian Cup la quale viene vinta proprio dalla nazionale nipponica, dove Ōsako segna una doppietta nella vittoria contro l'Australia per 3-2. Ōsako giocherà nel mondiale 2018 in Russia dove, nella fase a girone, segnerà la rete del 2-1 contro la favorita Colombia che garantirà la prima storica vittoria nei mondiale per la nazionale giapponese contro una nazionale della CONMEBOL. Durante un'amichevole segnerà il gol del temporaneo 2-1 contro l'Uruguay nella partita che il Giappone vincerà per 4-3. Nell'edizione 2019 della Coppa d'Asia sarà autore della doppietta nella partita che il Giappone vincerà contro il Turkmenistan per 3-2, inoltre sarà autore di un'altra doppietta nella semifinale vinta 3-0 contro l'Iran, che permetterà l'accesso alla finale dove però il Giappone perderà 3-1 contro il Qatar. Segnerà una tripletta battendo per 14-0 la Mongolia, e farà cinque reti sconfiggendo per 10-0 la Birmania nelle qualificazioni per il mondiale Qatar 2022.