Når Grabar-Kitarović så en annonce om et job hos NATO i The Economist magasinet, troede hun, at jobbet var velegnet til hende, men i sidste ende besluttede hun ikke at ansøge om det. Det var først, da NATO ikke kunne vælge en kandidat til jobbet i to runder, at hun endelig ansøgte, og i tredje runde modtog hun stillingen. Under sin periode i NATO besøgte hun ofte Afghanistan og de kroatiske soldater, der er indsat der som en del af en fredsbevarende mission. Hendes opgave var at tage sig af "kommunikationsstrategien" og at "bringe NATO tættere på det almindelige folk". Hendes kolleger i NATO omtalte hende ofte som SWAMBO (Hun, der skal adlydes).
Assisterende generalsekretær