Carlos Bilardo no tuvo como jugador la oportunidad de integrar la selección argentina de mayores, pero formó parte del equipo juvenil sub 23 que logró la clasificación para los Juegos Olímpicos de Roma de 1960, de los que también más tarde participó.
Tenía un antecedente con la celeste y blanca: había ganado la medalla dorada en los Juegos Panamericanos de Chicago en 1959 en un seleccionado amateur dirigido por Ernesto Duchini que obtuvo, invicto, el título en disputa. Argentina goleó a casi todos sus rivales y sólo empato con Brasil, pero Bilardo nunca fue titular.
El doctor todavía no era doctor ni futbolista profesional -aunque ya había debutado en la Primera de San Lorenzo en 1958- cuando fue convocado por Bernardo Gandulla a integrar el equipo que iba a enfrentar a Chile en dos partidos, para cumplir con la primera fase clasificatoria a los Juegos Olímpicos de Roma.
En Santiago, el 16 de diciembre de 1959, Argentina se impuso por 5 a 1. Bilardo jugó de puntero derecho y abrió el camino de la goleada marcando el primer tanto a los dos minutos de juego. En la revancha jugada en cancha de Huracán, Argentina volvió a golear 6 a 0. Bilardo siguió como titular pero esta vez no marcó goles.
Para allanar el camino que conducía a Roma faltaba una instancia: Un pentagonal a jugarse en Lima en abril de 1960, en el que participaban el local, Surinam, Brasil, México y Argentina. Nuestro seleccionado ganó los cuatro partidos que disputó y se clasificó para los Juegos. Bilardo integró la delantera en las victorias por 3 a 1 frente a Brasil y 2 a 1 frente a Perú, pero no marcó goles.
Ya en Roma en la primera fase de los Juegos Olímpicos, Argentina, nuevamente a las órdenes de Ernesto Duchini, integró el Grupo C junto a Dinamarca, Polonia y Túnez. En el debut cayó ante los daneses por 3 a 2 y esa derrota sería determinante para la eliminación de nuestro equipo. Bilardo marcó el segundo gol sobre la hora pero no alcanzó. Argentina ganó los dos partidos restantes de la zona, a Túnez 2 a 1 y a Polonia 2 a 0. Pero Dinamarca también derrotó a esos rivales, ganó el grupo invicto y paso a la semifinal. Finalmente sería subcampeón al caer en la final frente a Yugoslavia.
Ahí se terminó el sueño olímpico para Argentina que volvió a casa sin superar la zona de grupos, pero comenzó la larga experiencia internacional de Bilardo. A sólo dos años del fracaso en el Mundial de Suecia, el enfrentamiento con selecciones europeas seguía siendo traumático y lo seguiría siendo por mucho tiempo. De los jugadores que integraron junto a Bilardo el plantel olímpico llegaron a primera y se destacaron más tarde en el fútbol argentino Alberto Rendo, Marcos Zarich, Juan Carlos Oleniak y el goleador Mario Desiderio.
