Willoch ble for sin krigsinnsats tildelt St. Olavsmedaljen med ekegren, Krigsmedaljen og franske Croix de guerre 1939–1945 med bronsepalme. Før krigen ble han tildelt Kroningsmedaljen 1906 i sølv, og slått til ridder av Den islandske falkeorden og franske Æreslegionen.