Petrović trénoval mužský národný basketbalový tím Chorvátska pri troch príležitostiach: v roku 1995, keď skončili tretí v EuroBasket, medzi rokmi 1999 a 2001, keď skončili siedmi v EuroBasket 2001 a od roku 2016 do roku 2017; 23. marca 2016 bol Petrović menovaný za hlavného trénera mužského národného tímu Chorvátska tretíkrát vo svojej hlavnej trénerskej kariére. V auguste 2016 sa Chorvátsku podarilo dostať sa na letné olympijské hry 2016 prekvapivým víťazstvom v kvalifikačnom turnaji.
v Turíne v Taliansku. Na olympijských finále sa Chorvátsko v štvrťfinále turnaja prehralo so Srbskom. 15. septembra 2017, po prehre proti Rusku v ôsmichfinále na EuroBasket, Petrović odstúpil z chorvátskej lavičky.