1960년 AFC 청소년 축구 선수권 대회에 참여하는 대한민국 U-20 축구 국가대표팀에 차출되었으며 대회 결승전에서 멀티골을 넣으며 팀의 4-0 대승에 일조했다. 그리고 성인 국가대표팀에는 이보다 이른 1959년 8월 30일에 열린 베트남과의 메르데카컵 국제축구대회에서 데뷔전을 치렀으며 1960년 AFC 아시안컵에도 참여하여 1차전 경기인 베트남과의 경기에서 멀티골을 넣었으며 2차전 이스라엘과의 경기에서도 멀티골을 넣으며 팀의 2연승을 이끌었다. 그리고 이 대회에서 4골을 넣으며 대회 득점왕에 올랐고 팀은 조윤옥의 이러한 활약 속에 아시안컵 초대 챔피언에 등극했다. 또한 1962년 아시안 게임에도 참가한 조윤옥은 대회 전 경기에 출전하여 일본전에서 득점을 기록하며 팀의 은메달 획득의 발판을 마련했으며 1964년 하계 올림픽 축구 대표팀에도 차출되어 2경기에 출전했다. 그리고 1965년 메르데카컵의 전 경기에 출전하여 대만과의 결승전에서 득점을 기록하며 팀의 공동 우승에 일조했다.