Mit der Finnischen Nationalmannschaft nahm er an den Olympischen Winterspielen 1960 in Squaw Valley und an der Eishockey-Weltmeisterschaft 1961 in der Schweiz teil. Bei den Olympischen Spielen wurde das Team Siebter und bei der Weltmeisterschaft belegte es Rang fünf. Insgesamt bestritt Vainio 22 Länderspiele, erzielte dabei sechs Tore und gab drei Torvorlagen.