1714년(숙종 40) 증광시에 병과로 급제하여 관직 생활을 시작하였다. 검열, 대교, 봉교, 전적, 병조좌랑 등을 거쳐 1719년에는 전의현감으로 나아갔다. 경종 대에 들어서는 수찬, 부교리, 이조좌랑, 충청감사, 대사헌 등에 임명되었다. 1722년(경종 2) 목호룡(睦虎龍)의 고변으로 당시 왕세제였던 영조가 사위(辭位)하려 하자 겸사서(兼司書)로서 다른 신하들과 함께 만류하였다.
영조 즉위 후, 승지를 거쳐 부제학에 임명되었다. 1727년(영조 3) 영조는 즉위년에 내린 바 있는 을사처분(乙巳處分)을 번복하고 노론 4대신의 행위를 다시 역모로 규정한 이른바 정미처분(丁未處分)을 내렸다. 이때 윤혜교는 부제학으로서 영부사 이광좌(李光佐), 좌의정 조태억(趙泰億) 등과 함께 영조가 소론의 의리를 인정한 정미처분을 내리는 데 일조하였다.
이어 이조참의, 대사간 등을 지냈고 1730년(영조 6)에는 동지부사로 파견되었다. 이후 한성부 우윤, 도승지, 형조참판, 대사성, 이조판서, 좌참찬 등 주요 직책을 두루 거쳤다.
1739년(영조 15) 북쪽의 여러 능을 살펴보는 일을 담당하여 떠났다가 좌참찬에 임명되어 돌아오는 길에 철원 관사에서 병으로 세상을 떠났다. 소론 계열로서 성품이 검소하고 정밀하여 국왕 영조의 신임을 받아 청요직을 역임하였다.
1761년(영조 37) 문온(文溫)의 시호가 내려졌다.