Petrović trénoval mužský basketbalový národní tým Chorvatska třikrát: v roce 1995, kdy skončil třetí v EuroBasket, mezi lety 1999 a 2001, kdy skončil sedmý v EuroBasket 2001 a od roku 2016 do roku 2017; dne 23. března 2016 byl Petrović jmenován hlavním trenérem mužského národního týmu Chorvatska potřetí ve své hlavní trenérské kariéře. V srpnu 2016 se Chorvatsku podařilo dosáhnout turnaje na Letních olympijských hrách 2016
překvapivě vyhrál kvalifikační turnaj v italském Turíně. Na olympijských finále, Chorvatsko prohrávalo ve čtvrtfinále turnaje ze Srbska. Dne 15. září 2017, po prohře proti Rusku v šestnáctinovém kole na EuroBasket, Petrović odstoupil z křesla Chorvatska.