Petrović ha allenato la squadra nazionale di basket maschile croata in tre occasioni: nel 1995, quando è arrivata terza all'EuroBasket, tra il 1999 e il 2001 quando è arrivata settima all'EuroBasket 2001 e dal 2016 al 2017; il 23 marzo 2016, Petrović è stato nominato allenatore della nazionale croata maschile per la terza volta nella sua carriera di allenatore capo. Nell'agosto 2016 la Croazia è riuscita a raggiungere il torneo delle Olimpiadi estive del 2016 vincendo sorprendentemente il torneo di qualificazione.
a Torino, in Italia. Alle finali olimpiche, la Croazia ha perso nei quarti di finale del torneo contro la Serbia. Il 15 settembre 2017, dopo una sconfitta contro la Russia ospitante negli ottavi di finale dell'EuroBasket, Petrović si è dimesso dalla panchina della Croazia.