1869년 충청남도 아산에서 출생했다. 처는 조선총독부 중추원 참의를 지낸 김윤정의 딸이며, 윤웅렬은 백부이며 윤치호는 사촌 형이다. 중추원 참의를 지낸 윤치소와 조선임전보국단 평의원을 지낸 윤치영은 동생이다. 둘째 며느리는 중추원 참의를 지낸 김갑순의 딸이다. 일본 게이오의숙을 졸업했다. 1894년 의정부 주사, 1895년 중추원 참서관을 지냈다. 정치적 사건에 연루되어 일본 망명 시 도쿄외국어학교의 한어교사로 근무했고, 1906년 4월 사면되어 귀국해 10월부터 1907년 3월까지 일본유학생 감독이 되었다. 1907년 5월 학부 학무국장이 되었고, 11월에는 흥사단 발기인이 되었다. 일제강점 이후 중추원 부찬의, 찬의를 역임했다. 1925년 조선전기공업주식회사 감사, 1939년 조선유도연합회의 평의원이 되었다. 1950년 12월 12일 사망했다.
윤치오의 이상과 같은 활동은 「일제강점하 반민족행위 진상규명에 관한 특별법」 제2조 제9호에 해당하는 친일반민족행위로 규정되어 『친일반민족행위진상규명 보고서』 Ⅳ-11: 친일반민족행위자 결정이유서(pp.349∼357)에 관련 행적이 상세하게 채록되었다.