Petrović je treniral hrvaško moško košarkarsko reprezentanco trikrat: leta 1995, ko so končali tretji na EuroBasket, med letoma 1999 in 2001, ko so končali sedmi na EuroBasket 2001 in od leta 2016 do leta 2017; 23. marca 2016 je bil Petrović imenovan za glavnega trenerja moške košarkarske reprezentance Hrvaške tretjič v svoji karieri. Avgusta 2016 se je Hrvaški uspelo priti na turnir poletnih olimpijskih iger 2016 s presenetljivo zmago v kvalifikacijskem turnirju.
v Torinu v Italiji. Na olimpijskih igrah je Hrvaška v četrtfinalu izgubila pred Srbijo. 15. septembra 2017 je Petrović odstopil s hrvaške klopi, potem ko je na EuroBasketu izgubil proti Rusiji.