Suomen maajoukkueessa Vainio pelasi vuosien 1965–1973 välillä 68 ottelua 6,1 pisteen keskiarvolla. A-nuorten maajoukkueessa hän pelasi kymmenen ottelua. Vainio kuului Suomen joukkueeseen vuoden 1967 koti-EM-kilpailuissa, jotka päättyivät positiivisesti Suomen kuudenteen sijaan. Vainio ja Espanjan Alfonso Martínez olivat turnauksen parhaat levypallomiehet, ja Vainio valittiin turnauksen tähdistöjoukkueeseen. Vuonna 1968 Vainio valittiin historian neljäntenä suomalaisena Euroopan joukkueeseen.