Mit der japanischen U-20 Nationalmannschaft nahm Hirayama an den Jugend-Weltmeisterschaften 2003 und 2005 teil. Obwohl Nationalcoach Zico die Entwicklung des jungen Talents immer wieder lobte, wurde Hirayama nicht für die Fußball-Weltmeisterschaft 2006 in Deutschland nominiert. Auf seinen ersten Einsatz musste er bis zum 6. Januar 2010 warten, als er von Neutrainer Takeshi Okada berufen wurde. Im Qualifikationsspiel zur Fußball-Asienmeisterschaft 2011 gegen den Jemen wurde Hirayama in der 21. Minute beim Stand von 0:1 für Naoki Yamada eingewechselt. Nachdem dem jemenitischen Team auch noch der zweite Treffer gelang, erzielte Hirayama einen Hattrick, der seine Mannschaft zum 3:2-Sieg verhalf. Dies war der erste Dreierpack eines japanischen Debüt-Nationalspielers seit über 80 Jahren. Dem letzten Spieler, dem dies gelang, war Takeo Wakabayashi in den 1930er Jahren. Hirayama wurde allerdings auf für die Fußball-Weltmeisterschaft 2010 in Südafrika nicht nominiert.