Petrović havde trænet det kroatiske mænds nationale basketballhold ved tre lejligheder: i 1995, da de sluttede som tredje i EuroBasket, mellem 1999 og 2001, da de sluttede som syvende i EuroBasket 2001 og fra 2016 til 2017; den 23. marts 2016 blev Petrović udnævnt til cheftræner for det senior mænds kroatiske landshold for tredje gang i sin cheftrænerkarriere. I august 2016 lykkedes det Kroatien at nå til 2016 Sommer-OL-turneringen ved overraskende at vinde kvalifikationsturneringen.
i Torino, Italien. I den olympiske finale tabte Kroatien i kvartfinalen af turneringen fra Serbien. Den 15. september 2017, efter et nederlag mod værtslandet Rusland i 16. runde på EuroBasket, trak Petrović sig fra Kroatiens bænk.