Petrović had het Kroatische mannen nationaal basketbalteam bij drie gelegenheden getraind: in 1995 toen ze derde eindigden in EuroBasket, tussen 1999 en 2001 toen ze zevende eindigden in EuroBasket 2001 en van 2016 tot 2017; op 23 maart 2016 werd Petrović voor de derde keer in zijn hoofdcoachcarrière benoemd tot hoofdcoach van het Kroatische nationale team voor senioren. In augustus 2016 slaagde Kroatië erin om het Olympische Zomertoernooi van 2016 te bereiken.
door verrassend het kwalificatietoernooi in Turijn te winnen. Bij de Olympische finales verloor Kroatië in de kwartfinale van het toernooi van Servië. Op 15 september 2017, na een nederlaag tegen gastland Rusland in de achtste ronde van EuroBasket, nam Petrović ontslag van de Kroatische bank.